La stampa plasmonica produce risoluzioni diverse volte maggiori rispetto ai metodi di stampa convenzionali. Nella stampa plasmonica, i colori si formano sulle superfici di minuscole particelle metalliche quando la luce eccita i loro elettroni per farli oscillare. I ricercatori dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti di Stoccarda hanno ora mostrato come i colori di tali particelle metalliche possono essere alterati con l'idrogeno. La tecnica potrebbe aprire la strada all'animazione di immagini ad altissima risoluzione e allo sviluppo di display estremamente nitidi. Allo stesso tempo, fornisce nuovi approcci per la crittografia delle informazioni e l'individuazione delle contraffazioni.

Gli artigiani del vetro nel medioevo sfruttarono l'effetto molto prima che fosse conosciuto. Coloravano le magnifiche finestre delle cattedrali gotiche con nanoparticelle d'oro, che brillava di rosso alla luce. Solo verso la metà del XX secolo è stato dato un nome al fenomeno fisico sottostante:plasmoni. Queste oscillazioni collettive di elettroni liberi sono stimolate dall'assorbimento della radiazione elettromagnetica incidente. Più piccole sono le particelle metalliche, minore è la lunghezza d'onda della radiazione assorbita. In alcuni casi, la frequenza di risonanza, cioè., il massimo di assorbimento, rientra nello spettro della luce visibile. La parte non assorbita dello spettro viene quindi dispersa o riflessa, creando un'impressione di colore. Le particelle metalliche, che di solito appaiono argentei, color rame o dorato, poi assumere colori completamente nuovi.

Una risoluzione di 100, 000 punti per pollice

I ricercatori stanno anche sfruttando l'effetto per sviluppare la stampa plasmonica, in cui particelle metalliche quadrate su misura sono disposte secondo schemi specifici su un substrato. La lunghezza del bordo delle particelle è dell'ordine di meno di 100 nanometri (100 miliardesimi di metro). Ciò consente una risoluzione di 100, 000 punti per pollice, molte volte superiore a quello che le stampanti e i display odierni possono raggiungere.

Per particelle metalliche che misurano diversi 100 nanometri di diametro, la frequenza di risonanza dei plasmoni si trova all'interno dello spettro della luce visibile. Quando la luce bianca cade su tali particelle, appaiono in un colore specifico, per esempio rosso o blu. Il colore del metallo in questione è determinato dalla dimensione delle particelle e dalla loro distanza l'una dall'altra. Questi parametri di regolazione hanno quindi lo stesso scopo nella stampa plasmonica della tavolozza dei colori nella pittura.

Il trucco con la reazione chimica

Anche lo Smart Nanoplasmonics Research Group presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda sfrutta questa variabilità cromatica. Attualmente stanno lavorando alla stampa plasmonica dinamica. Ora hanno presentato un approccio che consente loro di alterare i colori dei pixel in modo prevedibile, anche dopo che un'immagine è stata stampata. "Il trucco è usare il magnesio. Può subire una reazione chimica reversibile in cui si perde il carattere metallico dell'elemento, " spiega Laura Na Liu, che guida il gruppo di ricerca di Stoccarda. "Il magnesio può assorbire fino al 7,6% di idrogeno in peso per formare idruro di magnesio, o MgH2", Liu continua. I ricercatori rivestono il magnesio con palladio, che funge da catalizzatore nella reazione.

Durante la transizione continua del magnesio metallico in MgH2 non metallico, il colore di alcuni pixel cambia più volte. Il cambiamento di colore e la velocità con cui procede seguono uno schema chiaro. Ciò è determinato sia dalla dimensione e dalla distanza tra le singole particelle di magnesio, sia dalla quantità di idrogeno presente.

Nel caso di saturazione totale di idrogeno, il colore scompare completamente, e i pixel riflettono tutta la luce bianca che cade su di loro. Questo perché il magnesio non è più presente in forma metallica ma solo come MgH2. Quindi, non ci sono inoltre elettroni metallici liberi che possono essere fatti oscillare.

L'atto evanescente di Minerva

Gli scienziati hanno dimostrato l'effetto di tale comportamento dinamico del colore su una stampa plasmonica di Minerva, la dea romana della saggezza, che portava anche il logo della Max Planck Society. Hanno scelto la dimensione delle loro particelle di magnesio in modo che i capelli di Minerva apparissero inizialmente rossastri, la testa che copre il giallo, la cresta di piume rossa e la corona d'alloro e il contorno del suo viso blu. Hanno quindi lavato la microstampa con l'idrogeno. Un filmato time-lapse mostra come cambiano i singoli colori. Il giallo diventa rosso, il rosso diventa blu, e il blu diventa bianco. Dopo pochi minuti tutti i colori scompaiono, rivelando una superficie bianca al posto di Minerva.

Gli scienziati hanno anche dimostrato che questo processo è reversibile sostituendo il flusso di idrogeno con un flusso di ossigeno. L'ossigeno reagisce con l'idrogeno nell'idruro di magnesio per formare acqua, in modo che le particelle di magnesio tornino ad essere metalliche. I pixel quindi tornano indietro in ordine inverso, e alla fine Minerva appare nei suoi colori originali.

In modo simile i ricercatori hanno prima fatto scomparire e poi riapparire la microimmagine di un famoso dipinto di Van Gogh. Hanno anche prodotto animazioni complesse che danno l'impressione di fuochi d'artificio.

Il principio di una nuova tecnica di crittografia

Laura Na Liu può immaginare di utilizzare questo principio in una nuova tecnologia di crittografia. Per dimostrare questo, il gruppo ha formato varie lettere con pixel di magnesio. L'aggiunta di idrogeno ha poi fatto scomparire alcune lettere nel tempo, come l'immagine di Minerva. "Per quanto riguarda il resto delle lettere, un sottile strato di ossido formato sulle particelle di magnesio dopo aver esposto il campione all'aria per un breve periodo prima della deposizione del palladio, " Spiega Liu. Questo strato è impermeabile all'idrogeno. Il magnesio che giace sotto lo strato di ossido rimane quindi metallico - e visibile - perché la luce è in grado di eccitare i plasmoni nel magnesio.

In questo modo è possibile nascondere un messaggio, per esempio mescolando informazioni reali e prive di senso. Solo il destinatario previsto è in grado di far scomparire le informazioni prive di senso e filtrare il messaggio reale. Per esempio, dopo aver decodificato il messaggio "Hartford" con l'idrogeno, rimarrebbero visibili solo le parole "arte o". Per rendere più difficile decifrare tali messaggi crittografati, il gruppo sta attualmente lavorando a un processo che richiederebbe una concentrazione di idrogeno regolata con precisione per la decifrazione.

Liu ritiene che un giorno la tecnologia potrebbe essere utilizzata anche nella lotta alla contraffazione. "Per esempio, caratteristiche di sicurezza plasmoniche potrebbero essere stampate su banconote o confezioni farmaceutiche, che potrebbero essere successivamente verificati o letti solo in condizioni specifiche sconosciute ai contraffattori".

Non deve essere necessariamente idrogeno

Laura Na Liu sa che l'uso dell'idrogeno rende alcune applicazioni difficili e poco pratiche per l'uso quotidiano come nei display mobili. "Vediamo il nostro lavoro come il punto di partenza per un nuovo principio:l'uso di reazioni chimiche per la stampa dinamica, " dice il fisico di Stoccarda. È certamente ipotizzabile che la ricerca porterà presto alla scoperta di reazioni chimiche per i cambiamenti di colore diverse dalla transizione di fase tra magnesio e diidruro di magnesio, Per esempio, reazioni che non richiedono reagenti gassosi.