Физики из Университета Мельбурна разработали способ получения цветных изображений на основе наночастиц алюминия. За их окрашивание отвечает эффект плазмонного резонанса: различные цвета соответствуют частицам разных размеров. Авторы отмечают необычное свойство таких изображений — в зависимости от поляризации падающего на них света они могут становиться почти черно-белыми или быть цветными. Исследование опубликовано в журнале Nano Letters, кратко о нем сообщает Phys.org

Эффект плазмонного резонанса приводит к тому, что разные, например, по длине наночастицы по-разному отражают белый свет. Возникновение резонанса связано с тем, что электроны внутри твердых тел (например, металлов) умеют коллективно колебаться. Частоты этих колебаний сильно зависят от размеров и формы частиц, или, в данном случае, наночастиц. Когда частота колебаний падающего света совпадает с частотой коллективных колебаний электронов наблюдается резонанс — этот участок падающего спектра поглощается. Простейшее следствие из этого явления — частицы золота разных размеров (в пределах нескольких нанометров) обладают разной окраской.

Слева — цветовое пространство плазмонных пикселей. Справа — спектры отражения алюминиевых наночастиц разной длины. Timothy D. James et al. / Nano Lett., 2016

В новой работе авторы использовали для создания изображения вытянутые алюминиевые наночастицы. При длине около 50 нанометров пик поглощения приходился на фиолетовую область спектра и они казались желтыми. У 120-нанометровых объектов поглощение наблюдалось в красной области и  покрытая такими частицами поверхность казалась сине-голубой. Для создания массива наночастиц на подложках использовался литографический процесс.

Цветной (слева) и черно-белый субпиксели. Timothy D. James et al. / Nano Lett., 2016

Каждый пиксель изображения представлял собой квадрат 30×30 микрометров, состоящий из 9 (3×3) субпикселей. Эти субпиксели отвечают за три цветовых параметра: насыщенность, яркость и непосредственно цвет. Так, насыщенность определялась соотношением между белыми и цветными субпикселями, яркость — соотношением между черными и не-черными субпикселями, а цвет — выбором длины алюминиевых частиц. Всего такая схема позволила авторам получить 2980 различных цветов, из которых лишь 10 — оттенки серого. 

Преобразование из RGB цвета в CMYK палитру с выстраиванием яркости, насыщенности и тона. Timothy D. James et al. / Nano Lett., 2016

Ученые протестировали технологию, создав копию фотографии 1975 года. Физики создали отпечаток размером 1,5×1,25 сантиметра. Размер пикселя позволил добиться плотности в 841 пиксель на дюйм, что близко к теоретически разрешимой человеческим глазом. 

Репродукция фотографии 1975 года, сделанной Мервином Бишопом. Слева — оригинал, в центре и справа  — фотографии плазмонного изображения, сделанные с разной поляризацией. На снимке: австралийский премьер-министр Уитлем Гоф и лидер австралийских аборигенов — гуринджи, Винсент Лингиари. Timothy D. James et al. / Nano Lett., 2016

Физики отмечают, что использование плазмонов для управления светом позволяет добиться необычного эффекта — изменения цвета изображения в поляризованном свете. Изменяя плоскость, в которой колеблется вектор электрического поля световой волны, можно «включать» и «выключать» цветность пикселей, добиваясь, тем самым, того, что одно и то же изображение может быть в белом свете и цветным и черно-белым.

Цветопередача плазмонных пикселей: слева оригинальное изображение, в центре – фотография изображения, напечатанного плазмонными пикселями, справа — нерезкая фотография изображения. Timothy D. James et al. / Nano Lett., 2016

Крупный план центральной фотографии. Ширина цветной полосы — 1,1 миллиметра, различимы отдельные субпиксели и их распределение в пикселях. Timothy D. James et al. / Nano Lett., 2016

В будущем авторы планируют увеличить цветовую полноту технологии и оценить возможность масштабирования подобной печати. Одно из важных свойств плазмонных пикселей —  в отличие от органических красителей, они практически не деградируют со временем.

Автор: Владимир Королёв