Se hai mai guardato la televisione al di fuori dell'oscurità totale, usato un computer seduto sotto l'illuminazione ambientale o vicino a una finestra, o scattata una foto all'aperto in una giornata di sole con il tuo smartphone, hai sperimentato un grande fastidio dei moderni schermi di visualizzazione:l'abbagliamento. La maggior parte dei dispositivi elettronici odierni sono dotati di coperture in vetro o plastica per la protezione contro la polvere, umidità, e altri contaminanti ambientali, ma il riflesso della luce da queste superfici può rendere difficile la visualizzazione delle informazioni visualizzate sugli schermi.

Ora, gli scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Ufficio scientifico del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti presso il Brookhaven National Laboratory, hanno dimostrato un metodo per ridurre quasi a zero i riflessi superficiali delle superfici di vetro incidendo su di esse minuscole caratteristiche su scala nanometrica.

Ogni volta che la luce incontra un brusco cambiamento nell'indice di rifrazione (quanto si piega un raggio di luce mentre attraversa da un materiale all'altro, come tra aria e vetro), una parte della luce viene riflessa. Le caratteristiche della nanoscala hanno l'effetto di far cambiare gradualmente l'indice di rifrazione da quello dell'aria a quello del vetro, evitando così riflessi. Il vetro nanostrutturato ultra trasparente è antiriflesso su un'ampia gamma di lunghezze d'onda (l'intero spettro visibile e vicino all'infrarosso) e su un'ampia gamma di angoli di visualizzazione. I riflessi si riducono a tal punto che il vetro diventa sostanzialmente invisibile.

Questo "vetro invisibile" potrebbe fare di più che migliorare l'esperienza dell'utente per i display elettronici di consumo. Potrebbe migliorare l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari riducendo al minimo la quantità di luce solare persa per riflesso. Potrebbe anche essere un'alternativa promettente ai rivestimenti antiriflesso soggetti a danni utilizzati convenzionalmente nei laser che emettono potenti impulsi di luce, come quelli applicati alla fabbricazione di dispositivi medici e componenti aerospaziali.

"Siamo entusiasti delle possibilità, " ha affermato il direttore del CFN Charles Black, autore corrispondente sull'articolo pubblicato online il 30 ottobre in Lettere di fisica applicata . "Non solo le prestazioni di questi materiali nanostrutturati sono estremamente elevate, ma stiamo anche implementando idee dalla nanoscienza in un modo che riteniamo favorevole alla produzione su larga scala".

L'ex postdoc del Brookhaven Lab Andreas Liapis, ora ricercatore presso il Wellman Center for Photomedicine del Massachusetts General Hospital, e Atikur Rahman, un assistente professore presso il Dipartimento di Fisica presso l'Indian Institute of Science Education and Research, Pune, sono coautori.

Per strutturare le superfici in vetro su scala nanometrica, gli scienziati hanno utilizzato un approccio chiamato autoassemblaggio, che è la capacità di alcuni materiali di formare spontaneamente disposizioni ordinate per conto proprio. In questo caso, l'autoassemblaggio di un materiale copolimero a blocchi ha fornito un modello per incidere la superficie del vetro in una "foresta" di strutture a forma di cono su scala nanometrica con punte affilate, una geometria che elimina quasi completamente i riflessi superficiali. I copolimeri a blocchi sono polimeri industriali (catene ripetute di molecole) che si trovano in molti prodotti, comprese le suole delle scarpe, nastri adesivi, e interni automobilistici.

I colleghi di Black e CFN hanno precedentemente utilizzato una tecnica di nanotesturizzazione simile per impartire silicio, bicchiere, e alcuni materiali plastici con proprietà idrorepellenti e autopulenti e capacità antiappannanti, e anche per rendere antiriflesso le celle solari al silicio. Le nanostrutture superficiali imitano quelle che si trovano in natura, come i minuscoli pali che intrappolano la luce che oscurano gli occhi delle falene per aiutare gli insetti a evitare il rilevamento da parte dei predatori e i coni cerosi che tengono pulite le ali delle cicale.

"Questa semplice tecnica può essere utilizzata per nanostrutturare quasi tutti i materiali con un controllo preciso sulla dimensione e sulla forma delle nanostrutture, " ha detto Rahman. "La cosa migliore è che non è necessario uno strato di rivestimento separato per ridurre l'abbagliamento, e le superfici nanostrutturate superano qualsiasi materiale di rivestimento disponibile oggi".

"Abbiamo eliminato i riflessi dalle finestre di vetro non rivestendo il vetro con strati di materiali diversi ma modificando la geometria della superficie su scala nanometrica, " aggiunse Liapis. "Poiché la nostra struttura finale è composta interamente di vetro, è più resistente dei tradizionali rivestimenti antiriflesso."

Per quantificare le prestazioni delle superfici in vetro nanostrutturato, gli scienziati hanno misurato la quantità di luce trasmessa e riflessa dalle superfici. In buon accordo con le proprie simulazioni del modello, le misurazioni sperimentali di superfici con nanotessiture di diverse altezze mostrano che i coni più alti riflettono meno luce. Per esempio, le superfici di vetro ricoperte da nanostrutture alte 300 nanometri riflettono meno dello 0,2 percento della luce di colore rosso in ingresso (lunghezza d'onda di 633 nanometri). Anche alla lunghezza d'onda del vicino infrarosso di 2500 nanometri e angoli di visualizzazione fino a 70 gradi, la quantità di luce che passa attraverso le superfici nanostrutturate rimane elevata, sopra il 95 e il 90 percento, rispettivamente.

In un altro esperimento, hanno confrontato le prestazioni di una cella solare al silicio commerciale senza copertura, con una copertura in vetro convenzionale, e con una copertura in vetro nanostrutturato. La cella solare con la copertura in vetro nanostrutturato ha generato la stessa quantità di corrente elettrica di quella senza copertura. Hanno anche esposto il loro vetro nanostrutturato a brevi impulsi laser per determinare l'intensità con cui la luce laser inizia a danneggiare il materiale. Le loro misurazioni rivelano che il vetro può sopportare tre volte più energia ottica per unità di superficie rispetto ai rivestimenti antiriflesso disponibili in commercio che operano su un ampio intervallo di lunghezze d'onda.

"Il nostro ruolo nel CFN è dimostrare come la nanoscienza può facilitare la progettazione di nuovi materiali con proprietà migliorate, " ha detto Black. "Questo lavoro ne è un ottimo esempio:ci piacerebbe trovare un partner che aiuti a far avanzare questi straordinari materiali verso la tecnologia".