Chimici dell'Università della California, Riverside si sono sviluppate minuscole, barre di dimensioni nanometriche di particelle di ossido di ferro in laboratorio che rispondono a un campo magnetico esterno in un modo che potrebbe migliorare notevolmente il modo in cui le informazioni visive vengono visualizzate in futuro.

In precedenza, Il laboratorio di Yadong Yin ha mostrato che quando un campo magnetico esterno viene applicato a particelle di ossido di ferro in soluzione, la soluzione cambia colore in risposta alla forza e all'orientamento del campo magnetico. Ora il suo laboratorio è riuscito ad applicare un rivestimento di silice (biossido di silicio) alle particelle di ossido di ferro in modo che quando si uniscono in soluzione, come sfere linearmente connesse, alla fine formano minuscoli bastoncini - o "nanorodi" - che mantengono permanentemente la loro struttura simile a un pisello.

Quando un campo magnetico esterno viene applicato alla soluzione di nanobarre, si allineano parallelamente l'uno all'altro come una serie di minuscole torce elettriche girate in una direzione, e visualizzare un colore brillante.

"Abbiamo essenzialmente sviluppato materiali fotonici sintonizzabili le cui proprietà possono essere manipolate cambiando il loro orientamento con campi esterni, " ha detto Yin, un assistente professore di chimica. "Questi nanorod con periodicità interna configurabile rappresentano le strutture fotoniche più piccole possibili in grado di diffrangere efficacemente la luce visibile. Questo lavoro apre la strada alla fabbricazione di strutture fotoniche magneticamente reattive con dimensioni significativamente ridotte in modo da poter realizzare la manipolazione del colore con una risoluzione più elevata".

Le applicazioni della tecnologia includono la formazione di modelli ad alta definizione, manifesti, immagini, display a colori ad alta efficienza energetica, e dispositivi come i segnali stradali che utilizzano abitualmente una serie di colori. Altre applicazioni riguardano il rilevamento biologico e chimico, nonché l'etichettatura e l'imaging biomedico. Display a colori che attualmente non possono essere visti facilmente alla luce del sole, ad esempio lo schermo di un laptop - sarà visto in modo più chiaro e luminoso sui dispositivi che utilizzano la tecnologia nanorod poiché le aste semplicemente diffrangono un colore dalla luce visibile incidente su di esse.

I risultati dello studio appaiono online oggi (14 marzo) in Angewandte Chemie . La ricerca sarà evidenziata sulla quarta di copertina di un prossimo numero di stampa.

Nel laboratorio, Yin e i suoi studenti laureati Yongxing Hu e Le He inizialmente rivestirono le molecole di ossido di ferro magnetico con un sottile strato di silice. Quindi hanno applicato un campo magnetico per assemblare le particelle in catene. Prossimo, hanno rivestito le catene con uno strato aggiuntivo di silice per consentire la formazione di un guscio di silice intorno e stabilizzare la struttura della catena.

Secondo i ricercatori, la tempistica dell'esposizione al campo magnetico è di fondamentale importanza per il successo della formazione della catena perché consente di mettere a punto la spaziatura "interparticella" - la distanza tra due particelle qualsiasi - all'interno delle catene fotoniche. Riferiscono che il concatenamento delle particelle magnetiche deve essere indotto da una breve esposizione a campi esterni durante il processo di rivestimento in silice in modo che le particelle rimangano temporaneamente collegate, consentendo un'ulteriore deposizione di silice per poi fissare le catene in barre o fili meccanicamente robusti.

Riferiscono anche nel documento di ricerca che la spaziatura tra le particelle all'interno delle catene in un campione può essere messa a punto regolando i tempi dell'esposizione al campo magnetico; la lunghezza delle singole catene, che non influisce sul colore visualizzato, può essere controllato modificando la durata dell'esposizione al campo magnetico.

"Le nanobarre fotoniche che abbiamo sviluppato si disperdono casualmente in soluzione in assenza di un campo magnetico, ma si allineano e mostrano il colore di diffrazione istantaneamente quando viene applicato un campo esterno, " ha detto Yin. "È la disposizione periodica delle particelle di ossido di ferro che diffrange efficacemente la luce visibile e mostra colori brillanti".

Ha spiegato che tutte le aste fotoniche unidimensionali all'interno di un campione mostrano un unico colore perché le particelle si dispongono con periodicità uniforme, ovvero la distanza tra le particelle all'interno di tutte le catene è la stessa, indipendentemente dalla lunghezza delle singole catene. Ulteriore, le catene fotoniche rimangono separate l'una dall'altra nei campi magnetici a causa della forza repulsiva magnetica che agisce perpendicolarmente alla direzione del campo magnetico.

I ricercatori osservano che un modo semplice e conveniente per modificare la periodicità nelle aste è utilizzare gruppi di ossido di ferro di diverse dimensioni. Questo, litigano, consentirebbe di produrre barre fotoniche con lunghezze d'onda di diffrazione in un'ampia gamma di spettro dal vicino ultravioletto al vicino infrarosso.

"Uno dei principali vantaggi della nuova tecnologia è che non richiede quasi alcuna energia per cambiare l'orientamento delle nanobarre e ottenere luminosità o un colore, " Yin ha detto. "Un inconveniente attuale, però, è che la distanza tra le particelle all'interno delle catene viene fissata una volta applicato il rivestimento di silice, consentendo nessuna flessibilità e solo un colore da visualizzare."

Il suo laboratorio sta ora lavorando per ottenere la bistabilità delle nanobarre. Se il laboratorio ha successo, i nanorod sarebbero in grado di diffrangere due colori, uno alla volta.

"Ciò consentirebbe allo stesso dispositivo o pixel di visualizzare un colore per un po' e un colore diverso in seguito, " ha detto Yin, uno studioso di Cottrell.