I ricercatori hanno testato una nuova tecnica per la stampa e l'imaging sia a colori che a infrarossi con questa immagine di un pappagallo. L'intarsio mostra come è stato creato un semplice schema di colori RGB costruendo rettangoli di lunghezza variabile per ciascuno dei colori, così come singoli nanocubi sopra una pellicola d'oro che creano l'elemento plasmonico. Credito:imageBROKER / Alamy Foto
I ricercatori della Duke University ritengono di aver superato un ostacolo di vecchia data alla produzione più economica, modi più efficaci per stampare e visualizzare immagini su una gamma di colori che si estende fino all'infrarosso.
Come ti dirà qualsiasi gambero di mantide, ci sono una vasta gamma di "colori" lungo lo spettro elettromagnetico che gli esseri umani non possono vedere ma che forniscono una ricchezza di informazioni. Sensori che si estendono nella lattina a infrarossi, Per esempio, identificare migliaia di piante e minerali, diagnosticare melanomi cancerosi e prevedere i modelli meteorologici, semplicemente dallo spettro di luce che riflettono.
Le attuali tecnologie di imaging in grado di rilevare le lunghezze d'onda infrarosse sono costose e ingombranti, che richiedono numerosi filtri o complessi assemblaggi davanti a un fotorilevatore a infrarossi. La necessità di movimento meccanico in tali dispositivi riduce la loro durata prevista e può essere una responsabilità in condizioni difficili, come quelli sperimentati dai satelliti.
In un nuovo documento, un team di ingegneri Duke rivela una tecnica di produzione che promette di portare una forma semplificata di imaging multispettrale nell'uso quotidiano. Poiché il processo utilizza materiali e tecniche di fabbricazione esistenti che sono poco costosi e facilmente scalabili, potrebbe rivoluzionare qualsiasi settore in cui viene utilizzata l'imaging multispettrale o la stampa.
I risultati appaiono online il 14 dicembre sulla rivista Materiale avanzato .
"È difficile creare sensori in grado di rilevare sia lo spettro visibile che l'infrarosso, " disse Maiken Mikkelsen, il Nortel Networks Assistant Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica e Fisica alla Duke.
"Tradizionalmente hai bisogno di materiali diversi che assorbono lunghezze d'onda diverse, e questo diventa molto costoso, " Ha detto Mikkelsen. "Ma con la nostra tecnologia, le risposte dei rivelatori si basano sulle proprietà strutturali che progettiamo piuttosto che sulle proprietà naturali di un materiale. La cosa davvero eccitante è che possiamo abbinarlo a uno schema di fotorilevatore per combinare l'imaging sia nello spettro visibile che nell'infrarosso su un singolo chip".
La nuova tecnologia si basa sulla plasmonica, l'uso di fenomeni fisici su nanoscala per intrappolare determinate frequenze di luce.
Un primo piano dell'immagine colorata del pappagallo stampata su un sottile wafer d'oro utilizzando la nuova tecnologia basata su nanocubi. I colori appaiono spenti a causa dell'oro sottostante, così come le difficoltà che le fotocamere tipiche hanno nell'imaging della nuova tecnologia. Credito:Maiken Mikkelsen, Duke University
Gli ingegneri modellano cubi d'argento larghi appena 100 nanometri e li posizionano solo pochi nanometri sopra una sottile lamina d'oro. Quando la luce in arrivo colpisce la superficie di un nanocubo, eccita gli elettroni dell'argento, intrappolando l'energia della luce, ma solo a una certa frequenza.
La dimensione dei nanocubi d'argento e la loro distanza dallo strato di base dell'oro determina quella frequenza, mentre il controllo della distanza tra le nanoparticelle consente di regolare la forza dell'assorbimento. Adattando con precisione queste distanze, i ricercatori possono fare in modo che il sistema risponda a qualsiasi colore specifico che desiderano, dalle lunghezze d'onda visibili all'infrarosso.
La sfida per gli ingegneri è come costruire un dispositivo utile che possa essere scalabile e abbastanza economico da poter essere utilizzato nel mondo reale. Per quello, Mikkelsen si è rivolta al suo gruppo di ricerca, compreso lo studente laureato Jon Stewart.
"Tipi simili di materiali sono stati dimostrati in precedenza, ma tutti hanno utilizzato tecniche costose che hanno impedito alla tecnologia di passare al mercato, " ha detto Stewart. "Abbiamo escogitato uno schema di fabbricazione che è scalabile, non ha bisogno di una camera bianca ed evita di usare macchine da milioni di dollari, il tutto ottenendo sensibilità di frequenza più elevate. Ci ha permesso di fare cose sul campo che non erano mai state fatte prima".
Per costruire un rivelatore, Mikkelsen e Stewart hanno utilizzato un processo di incisione leggera e adesivi per modellare i nanocubi in pixel contenenti diverse dimensioni di nanocubi d'argento, e quindi ciascuno sensibile a una specifica lunghezza d'onda della luce. Quando la luce in arrivo colpisce l'array, ogni area risponde in modo diverso a seconda della lunghezza d'onda della luce a cui è sensibile. Prendendo in giro come risponde ciascuna parte dell'array, un computer può ricostruire di che colore era la luce originale.
La tecnica può essere utilizzata anche per la stampa, la squadra ha mostrato. Invece di creare pixel con sei sezioni sintonizzate per rispondere a colori specifici, hanno creato pixel con tre barre che riflettono tre colori:blu, verde e rosso. Controllando le lunghezze relative di ciascuna barra, possono dettare quale combinazione di colori riflette il pixel. È una nuova versione del classico schema RGB utilizzato per la prima volta in fotografia nel 1861.
Ma a differenza della maggior parte delle altre applicazioni, lo schema di colori plasmonici promette di non sbiadire mai nel tempo e può essere riprodotto in modo affidabile con estrema precisione più e più volte. Consente inoltre ai suoi utilizzatori di creare combinazioni di colori nell'infrarosso.
"Ancora, la parte entusiasmante è poter stampare sia nel visibile che nell'infrarosso sullo stesso supporto, " ha detto Mikkelsen. "Si potrebbe immaginare di stampare un'immagine con una parte nascosta nell'infrarosso, o anche coprire un intero oggetto per adattare la sua risposta spettrale."
