Il verde acqua brillante di un pavone e le brillanti piume blu non sono il risultato di pigmenti, ma piuttosto di reti su scala nanometrica che riflettono specifiche lunghezze d'onda della luce. Questa cosiddetta colorazione strutturale ha a lungo interessato ricercatori e ingegneri a causa della sua durata e del potenziale per l'applicazione nei pannelli solari, tessuti biomimetici e camouflage adattativo. Ma le tecniche odierne per integrare il colore strutturale nei materiali richiedono tempo e denaro.

Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in collaborazione con la King Abdullah University of Science and Technology, hanno sviluppato un nuovo, sistema più robusto ed economico per costruire metamateriali su larga scala con colore strutturale. La ricerca è descritta nella rivista Luce della natura:scienza e applicazioni .

La piuma di un pavone o l'ala di una farfalla si basano su cristalli fotonici o su matrici altamente ordinate di nanofibre per produrre colori. La riproduzione di queste strutture in laboratorio richiede precisione e fabbricazione costosa. I ricercatori SEAS sono stati ispirati da un tipo di piuma molto diverso.

I Continga sono una delle famiglie di uccelli più sgargianti del pianeta. In un mare di verde amazzonico, le loro piume risuonano di blues elettrico, arance brillanti e viola vibranti.

A differenza della serie ordinata di nanostrutture di un pavone, i continga ottengono le loro tonalità vibranti da una nanorete disordinata e porosa di cheratina che sembra una spugna o un pezzo di corallo. Quando la luce colpisce la piuma, il modello poroso della cheratina fa sì che le lunghezze d'onda rosse e gialle si annullino a vicenda, mentre le lunghezze d'onda blu della luce si amplificano a vicenda.

"Generalmente, associamo l'idea di disordine all'idea che qualcosa sia incontrollabile, " disse Federico Capasso, Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica presso SEAS e senior dell'autore dell'articolo. "Qui il disordine può essere messo a nostro vantaggio e utilizzato come parametro di progettazione per creare una nuova classe di metamateriali con un'ampia gamma di funzionalità e applicazioni"

Ispirato alla piuma di cotinga, i ricercatori hanno utilizzato un semplice processo di incisione per creare una nanorete porosa complessa ma casuale in una lega metallica. La struttura è stata poi rivestita con uno strato di allumina trasparente ultrasottile.

potresti pensare, che tipi di colori può produrre una lega metallica oltre al grigio? Come risulta, molte. Sin dallo scienziato inglese del XIX secolo Michael Faraday, gli scienziati sanno che i metalli contengono una miriade di colori, ma la luce non penetra abbastanza in profondità da rivelarli. Una particella d'oro, Per esempio, a seconda della sua dimensione e forma, può essere rosso, rosa o addirittura blu.

La nanostruttura porosa crea punti caldi localizzati di diversi colori nella lega. Il colore che viene riflesso dagli stati localizzati dipende dallo spessore del rivestimento trasparente.

Senza uno strato di allumina, il materiale appare scuro. Con un rivestimento di 33 nanometri di spessore, il materiale riflette la luce blu. A 45 nanometri, il materiale diventa rosso e con un rivestimento spesso 53 nanometri, il materiale è giallo. Modificando lo spessore del rivestimento, i ricercatori potrebbero creare un gradiente di colori.

"Questa situazione è equivalente a un materiale con un numero estremamente elevato di sorgenti luminose microscopiche e colorate, " ha detto Andrea Fratalocchi, autore corrispondente dell'articolo e professore di Ingegneria Elettrica; Matematica applicata e scienze computazionali presso la King Abdullah University of Science and Technology. "La presenza di un sottile strato di ossido può controllare l'intensità di queste fonti, accendendoli e spegnendoli collettivamente in base allo spessore dello strato di ossido. Questa ricerca mostra come i materiali disordinati possono essere trasformati in una tecnologia estremamente potente, che può consentire applicazioni su larga scala che sarebbero impossibili con i media convenzionali."

La metasuperficie è estremamente leggera e antigraffio e potrebbe essere utilizzata in applicazioni commerciali su larga scala come rivestimenti leggeri per il settore automobilistico, tessuti biomimetici e camouflage

"Questo è un modo completamente nuovo per controllare le risposte ottiche nei metamateriali, "ha detto Henning Galinski, co-primo autore del paper ed ex borsista postdottorato nel gruppo Capasso. "Ora abbiamo un modo per progettare metamateriali in regioni molto piccole, che in precedenza erano troppo piccoli per la litografia convenzionale. Questo sistema apre la strada a metamateriali su larga scala ed estremamente robusti che interagiscono con la luce in modi davvero interessanti".