Facendo brillare una luce bianca su un vetrino punteggiato da milioni di minuscole colonnette di biossido di titanio, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro collaboratori hanno riprodotto con sorprendente fedeltà le tonalità luminose e le sfumature sottili di "Girl With a Pearl Earring, " Il capolavoro dell'artista olandese Johannes Vermeer. L'approccio ha potenziali applicazioni per migliorare le comunicazioni ottiche e rendere più difficile la contraffazione della valuta.

Per esempio, aggiungendo o eliminando un particolare colore, o lunghezza d'onda, di luce che viaggia in una fibra ottica, gli scienziati possono controllare la quantità di informazioni trasportate dalla fibra. Alterando l'intensità, i ricercatori possono mantenere la luminosità del segnale luminoso mentre percorre lunghe distanze nella fibra. L'approccio potrebbe anche essere usato per "dipingere" la cartamoneta con piccoli ma intricati dettagli di colore che un falsario avrebbe grandi difficoltà a falsificare.

Altri scienziati hanno precedentemente utilizzato minuscoli pilastri, o nanopillari, di varie dimensioni per intrappolare ed emettere colori specifici quando illuminati con luce bianca. La larghezza dei nanopilastri, che sono circa 600 nanometri di altezza, o meno di un centesimo del diametro di un capello umano, determina il colore specifico della luce che un pilastro intrappola ed emette. Per una prova impegnativa di tale tecnica, i ricercatori hanno esaminato quanto bene i nanopilastri riproducessero i colori di un dipinto familiare, come il Vermeer.

Sebbene diversi team di ricercatori abbiano sistemato con successo milioni di nanopillar le cui dimensioni sono state adattate per trasmettere il rosso, luce verde o blu per creare una tavolozza specifica di colori di output, gli scienziati non avevano modo di controllare l'intensità di quei colori. L'intensità, o luminosità, dei colori determina la luce e l'ombra di un'immagine - il suo chiaroscuro - e migliora la capacità di trasmettere impressioni di prospettiva e profondità, una caratteristica distintiva del lavoro di Vermeer.

Ora, fabbricando nanopilastri che non solo intrappolano ed emettono colori specifici della luce, ma ne modificano anche la polarizzazione in vari gradi, i ricercatori del NIST e i loro collaboratori dell'Università di Nanchino in Cina hanno dimostrato per la prima volta un modo per controllare sia il colore che l'intensità. I ricercatori, che includono Amit Agrawal e Wenqi Zhu del NIST e l'Università del Maryland a College Park, e Henri Lezec del NIST, descrivere le loro scoperte nel numero del 20 settembre della rivista ottica , pubblicato online oggi.

Nel loro nuovo lavoro, il team del NIST ha fabbricato su un vetrino nanopillar di biossido di titanio che avevano una sezione trasversale ellittica anziché circolare. Gli oggetti circolari hanno un unico diametro uniforme, ma gli oggetti ellittici hanno un asse lungo e un asse corto.

I ricercatori hanno progettato i nanopilastri in modo che in punti diversi il loro asse lungo fosse più allineato o meno allineato con la polarizzazione della luce bianca in arrivo. (La luce polarizzata è luce il cui campo elettrico vibra in una particolare direzione mentre viaggia attraverso lo spazio.) Se l'asse lungo del nanopilastro fosse esattamente allineato con la direzione di polarizzazione della luce in arrivo, la polarizzazione della luce trasmessa è rimasta inalterata. Ma se l'asse lungo fosse ruotato di qualche angolo, per esempio 20 gradi, rispetto alla direzione di polarizzazione della luce in arrivo, il nanopilastro ha ruotato la polarizzazione della luce incidente di due volte quell'angolo, in questo caso, 40 gradi.

In ogni punto del vetrino, l'orientamento di un nanopillar ruotava la polarizzazione del rosso, luce verde o blu trasmessa da una quantità specifica.

Da solo, la rotazione impartita da ciascun nanopilastro non altererebbe in alcun modo l'intensità della luce trasmessa. Ma in tandem con uno speciale filtro polarizzatore posto sul retro del vetrino, la squadra ha raggiunto questo obiettivo.

Il filtro era orientato in modo da impedire il passaggio di qualsiasi luce che avesse mantenuto la sua polarizzazione originale. (Gli occhiali da sole funzionano più o meno allo stesso modo:le lenti agiscono come filtri polarizzati verticalmente, riducendo l'intensità del bagliore polarizzato orizzontalmente.) Questo sarebbe il caso di qualsiasi punto del vetrino in cui un nanocolonna avesse lasciato inalterata la polarizzazione della luce incidente. Una tale regione si proietterebbe come una macchia scura su uno schermo lontano.

Nei luoghi in cui un nanopilastro aveva ruotato la polarizzazione della luce bianca incidente, il filtro permetteva una certa quantità di rosso, luce verde o blu per passare. La quantità dipendeva dall'angolo di rotazione; maggiore è l'angolo, maggiore è l'intensità della luce trasmessa. In questo modo, Il gruppo, per la prima volta, controllato sia il colore che la luminosità.

Una volta che i ricercatori del NIST hanno dimostrato il progetto di base, hanno creato una copia digitale di una versione in miniatura del dipinto di Vermeer, lungo circa 1 millimetro. Hanno quindi utilizzato le informazioni digitali per guidare la fabbricazione di una matrice di milioni di nanopilastri. I ricercatori hanno rappresentato il colore e l'intensità di ciascun elemento dell'immagine, o pixel, del Vermeer da un gruppo di cinque nanopilastri:uno rosso, due verdi e due blu, orientati ad angoli specifici rispetto alla luce in arrivo. Esaminando l'immagine di dimensioni millimetriche che il team aveva creato facendo brillare luce bianca attraverso i nanopilastri, i ricercatori hanno scoperto di aver riprodotto "La ragazza con l'orecchino di perla" con estrema chiarezza, persino catturare la trama della pittura ad olio su tela.

"La qualità della riproduzione, catturando le sottili gradazioni di colore e i dettagli delle ombre, è semplicemente notevole, " ha detto il ricercatore del NIST e coautore dello studio Agrawal. "Questo lavoro collega in modo abbastanza elegante i campi dell'arte e della nanotecnologia".

Per costruire i nanopilastri, Agrawal e i suoi colleghi hanno prima depositato uno strato di un polimero ultrasottile sul vetro, spessore di poche centinaia di nanometri. Usando un raggio di elettroni come un trapano in miniatura, hanno quindi scavato una serie di milioni di minuscoli fori di varie dimensioni e orientamenti nel polimero.

Quindi, utilizzando una tecnica nota come deposizione di strati atomici, hanno riempito questi fori con biossido di titanio. Finalmente, il team ha inciso via tutto il polimero che circondava i fori, lasciandosi dietro milioni di minuscoli pilastri di biossido di titanio. La dimensione e l'orientamento di ciascun nanopilastro rappresentato, rispettivamente, la tonalità e la luminosità dell'immagine finale di dimensioni millimetriche.

La tecnica del nanopillar può essere facilmente adattata per trasmettere colori specifici della luce, con intensità particolari, per comunicare informazioni attraverso una fibra ottica, o per imprimere un oggetto di valore con una miniatura, contrassegno di identificazione multicolor che sarebbe difficile da replicare.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.