In un seminterrato nelle profondità del Laboratorio di Scienza e Ingegneria Integrata dell'Università di Harvard, Mikhail Kats si veste. Copriscarpe in rete, una maschera per il viso, una retina per capelli, una tuta grigio chiaro, stivali in tessuto al ginocchio, guanti in vinile, occhiali protettivi, e un cappuccio con fermagli al collo, non per proteggerlo, Kats spiega, ma per proteggere le apparecchiature e i materiali delicati all'interno della camera bianca.

Mentre conseguiva il suo dottorato di ricerca. in fisica applicata alla Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Kats ha trascorso innumerevoli ore in questa struttura all'avanguardia. Con il suo consigliere, Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica, Kats ha contribuito ad alcuni straordinari progressi.

Uno è un metamateriale che assorbe il 99,75 percento della luce infrarossa, molto utile per i dispositivi di imaging termico. Un altro è un ultrasottile, lente piatta che focalizza la luce senza impartire le distorsioni delle lenti convenzionali. E il team ha prodotto fasci di vortice, fasci di luce che ricordano un cavatappi, che potrebbe aiutare le società di comunicazioni a trasmettere più dati su una larghezza di banda limitata.

Sicuramente l'anticipo più colorato uscito dal laboratorio Capasso, però, è una tecnica che riveste un oggetto metallico con uno strato estremamente sottile di semiconduttore, spessore di pochi nanometri. Sebbene il semiconduttore sia di colore grigio acciaio, l'oggetto finisce per brillare di tonalità vibranti. Questo perché il rivestimento sfrutta gli effetti di interferenza nei film sottili; Kats lo paragona agli arcobaleni iridescenti che sono visibili quando l'olio galleggia sull'acqua. Accuratamente sintonizzati in laboratorio, questi rivestimenti possono produrre un brillante, rosa solido—o, dire, un blu vivido, usando gli stessi due metalli, applicato con solo pochi atomi di differenza di spessore.

Il gruppo di ricerca di Capasso ha annunciato la scoperta nel 2012, ma in quel momento, avevano dimostrato il rivestimento solo su superfici relativamente lisce, superfici piatte come il silicio. Questo autunno, il gruppo ha pubblicato un secondo documento, nel diario Lettere di fisica applicata , portando il lavoro molto oltre.

"Ho ritagliato un pezzo di carta dal mio taccuino e vi ho depositato oro e germanio, "Kats dice, "e ha funzionato lo stesso."

quella constatazione, ingannevolmente semplice data la fisica coinvolta, ora suggerisce che i rivestimenti ultrasottili potrebbero essere applicati essenzialmente a qualsiasi materiale ruvido o flessibile, dai tessuti indossabili all'elettronica estensibile.

"Questo può essere visto come un modo per colorare quasi tutti gli oggetti usando solo una piccola quantità di materiale, "dice Capasso.

Non era ovvio che gli stessi effetti cromatici sarebbero stati visibili su substrati ruvidi, perché gli effetti di interferenza sono solitamente molto sensibili all'angolo della luce. E su un foglio di carta, Kats spiega, "Ci sono colline e valli e fibre e piccole cose che sporgono, ecco perché non puoi vedere il tuo riflesso in esso. La luce si disperde."

D'altra parte, le pellicole applicate sono così sottilissime che interagiscono con la luce quasi istantaneamente, quindi guardando il rivestimento direttamente o di lato, oppure, come risulta, guardare quelle imperfezioni ruvide sulla carta non fa molta differenza per il colore. E la carta rimane flessibile, come di solito.

Dimostrazione della tecnica in camera bianca presso il Center for Nanoscale Systems, una struttura di ricerca supportata dalla National Science Foundation ad Harvard, Kats utilizza una macchina chiamata evaporatore a fascio di elettroni per applicare il rivestimento in oro e germanio. Sigilla il campione di carta all'interno della camera della macchina, e una pompa aspira l'aria fino a quando la pressione scende a un incredibile 10 ^-6 Torr (un miliardesimo di atmosfera). Un flusso di elettroni colpisce un pezzo d'oro contenuto in un crogiolo di carbonio, e il metallo si vaporizza, viaggiando verso l'alto attraverso il vuoto finché non colpisce la carta. Ripetendo il processo, Kats aggiunge il secondo strato. Un po' più o un po' meno germanio fa la differenza tra indaco e cremisi.

Questa particolare tecnica di laboratorio, Kats sottolinea, è unidirezionale, quindi ad occhio nudo differenze molto sottili nel colore sono visibili da diverse angolazioni, dove un po' meno del metallo è atterrato sui lati delle creste e delle valli della carta. "Puoi immaginare applicazioni decorative in cui potresti desiderare qualcosa che abbia un po' di questo aspetto perlescente, dove guardi da diverse angolazioni e vedi una sfumatura diversa, " fa notare. "Ma se dovessimo andare alla porta accanto e usare uno sputterer reattivo invece di questo evaporatore a raggio elettronico, potremmo facilmente ottenere un rivestimento che si conforma alla superficie, e non vedresti nessuna differenza."

Sono possibili molti diversi abbinamenti di metallo, pure. "Il germanio costa poco. L'oro è più costoso, Certo, ma in pratica non ne usiamo molto, " spiega Kats. Il team di Capasso ha anche dimostrato la tecnica utilizzando l'alluminio.

"Questo è un modo per colorare qualcosa con uno strato di materiale molto sottile, quindi in linea di principio se è un metallo per cominciare, puoi usare solo 10 nanometri per colorarlo, e se non lo è, puoi depositare un metallo di 30 nm di spessore e poi altri 10 nm. È molto più sottile di un rivestimento di vernice convenzionale che potrebbe avere uno spessore compreso tra un micron e 10 micron".

In quelle situazioni occasionali in cui il peso della vernice è importante, questo potrebbe essere molto significativo. Capasso ricorda, Per esempio, che il serbatoio del carburante esterno della navetta spaziale della NASA era dipinto di bianco. Dopo le prime due missioni, gli ingegneri hanno smesso di verniciarlo e hanno risparmiato 600 libbre di peso.

Poiché i rivestimenti metallici assorbono molta luce, riflettendo solo un insieme ristretto di lunghezze d'onda, Capasso suggerisce che potrebbero anche essere incorporati in dispositivi optoelettronici come fotorivelatori e celle solari.

"Il fatto che questi possano essere depositati su substrati flessibili ha implicazioni per l'optoelettronica flessibile e forse anche estensibile che potrebbe far parte dei tuoi vestiti o potrebbe essere arrotolata o piegata, "dice Capasso.

L'Office of Technology Development di Harvard continua a perseguire opportunità commerciali per la nuova tecnologia di rivestimento a colori e accoglie i contatti delle parti interessate.

Kat, che conclude questo mese la sua posizione di ricerca post-dottorato di un anno presso SEAS, diventerà un assistente professore presso l'Università del Wisconsin, madison, a gennaio. Egli attribuisce a quelle molte ore trascorse nelle strutture del laboratorio all'avanguardia di Harvard gran parte del suo successo nella fisica applicata.

"Impari così tanto mentre lo fai, " Kats dice. "Puoi essere creativo, scoprire qualcosa lungo la strada, applica qualcosa di nuovo alla tua ricerca. È meraviglioso che abbiamo studenti e dottorandi quaggiù a fare cose".