Schilderen met licht: nieuwe nanopilaren regelen nauwkeurig de intensiteit van het doorgelaten licht

Door wit licht te laten schijnen op een glazen plaat die is bezaaid met miljoenen kleine titaniumdioxide-pilaren, hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun medewerkers de lichtgevende tinten en subtiele schakeringen van ‘Girl With a Pearl Earring , “Het meesterwerk van de Nederlandse kunstenaar Johannes Vermeer. De benadering heeft potentiële toepassingen bij het verbeteren van optische communicatie en het moeilijker maken van valuta te vervalsen.

Door bijvoorbeeld een bepaalde kleur of golflengte van licht dat door een optische vezel reist toe te voegen of te laten vallen, kunnen wetenschappers de hoeveelheid informatie bepalen die door de vezel wordt gedragen. Door de intensiteit aan te passen, kunnen onderzoekers de helderheid van het lichtsignaal behouden terwijl het lange afstanden in de vezel aflegt. De benadering zou ook gebruikt kunnen worden om papiergeld te “schilderen” met kleine maar ingewikkelde kleurdetails die een vervalser grote moeite zou hebben om te vervalsen.

Andere wetenschappers hebben eerder kleine pilaren of nanopilaren van verschillende grootte gebruikt om specifieke kleuren op te vangen en uit te zenden wanneer ze met wit licht worden verlicht. De breedte van de nanopilaren, die ongeveer 600 nanometer hoog zijn, of minder dan een honderdste van de diameter van een mensenhaar, bepaalt de specifieke kleur van het licht dat een pilaar opvangt en afgeeft. Voor een veeleisende test van een dergelijke techniek onderzochten onderzoekers hoe goed de nanopilaren de kleuren van een bekend schilderij, zoals de Vermeer, reproduceerden.

Hoewel verschillende teams van onderzoekers met succes miljoenen nanopilaren hadden gerangschikt waarvan de afmetingen waren aangepast om rood, groen of blauw licht door te geven om een ​​specifiek palet van uitvoerkleuren te creëren, hadden de wetenschappers geen manier om de intensiteit van die kleuren te controleren. De intensiteit, of helderheid, van kleuren bepaalt het licht en de schaduw van een beeld – het clair-obscur – en vergroot de mogelijkheid om indrukken van perspectief en diepte over te brengen, een kenmerkend kenmerk van Vermeers werk.

Door nanopilaren te fabriceren die niet alleen specifieke kleuren licht opvangen en uitzenden, maar ook de polarisatie ervan in verschillende mate veranderen, hebben de NIST-onderzoekers en hun medewerkers van de Nanjing University in China voor het eerst een manier aangetoond om zowel kleur als intensiteit te beheersen. De onderzoekers, waaronder Amit Agrawal en Wenqi Zhu van NIST en de University of Maryland in College Park, en Henri Lezec van NIST, beschrijven hun bevindingen in het nummer van 20 september van het tijdschrift. Optica, vandaag online geplaatst.

In hun nieuwe werk vervaardigde het NIST-team op een glasplaatje nanopilaren van titaniumdioxide die een elliptische doorsnede hadden in plaats van een ronde. Cirkelvormige objecten hebben een enkele uniforme diameter, maar elliptische objecten hebben een lange as en een korte as.

De onderzoekers ontwierpen de nanopilaren zo dat op verschillende locaties hun lengteas meer of minder uitgelijnd was met de polarisatie van het binnenkomende witte licht. (Gepolariseerd licht is licht waarvan het elektrische veld in een bepaalde richting trilt terwijl het door de ruimte reist.) Als de lange as van de nanopilaar precies was uitgelijnd met de polarisatierichting van het invallende licht, werd de polarisatie van het doorgelaten licht niet beïnvloed. Maar als de lengteas over een bepaalde hoek werd gedraaid – bijvoorbeeld 20 graden – ten opzichte van de polarisatierichting van het invallende licht, verdraaide de nanopilaar de polarisatie van het invallende licht met twee keer die hoek – in dit geval 40 graden.

Op elke locatie op het glaasje draaide de oriëntatie van een nanopilaar de polarisatie van het rode, groene of blauwe licht dat het doorliet met een bepaalde hoeveelheid.

Op zichzelf zou de rotatie van elke nanopilaar op geen enkele manier de intensiteit van het doorgelaten licht veranderen. Maar in combinatie met een speciaal polarisatiefilter dat op de achterkant van het objectglaasje is geplaatst, heeft het team dat doel bereikt.

Het filter was zo georiënteerd dat het verhinderde dat enig licht dat zijn oorspronkelijke polarisatie had behouden er doorheen ging. (Zonnebrillen werken op vrijwel dezelfde manier: de lenzen werken als verticaal gepolariseerde filters, waardoor de intensiteit van horizontaal gepolariseerde schittering wordt verminderd.) Dat zou het geval zijn voor elke plaats op de glasplaat waar een nanopilaar de polarisatie van het invallende licht ongewijzigd had gelaten. . Zo’n gebied zou projecteren als een donkere vlek op een ver scherm.

Op plaatsen waar een nanopilaar de polarisatie van het invallende witte licht had rondgedraaid, liet het filter een bepaalde hoeveelheid van het rode, groene of blauwe licht door. Het bedrag was afhankelijk van de rotatiehoek; hoe groter de hoek, hoe groter de intensiteit van het doorgelaten licht. Op deze manier controleerde het team voor het eerst zowel kleur als helderheid.

Nadat de NIST-onderzoekers het basisontwerp hadden gedemonstreerd, maakten ze een digitale kopie van een miniatuurversie van het schilderij van Vermeer, ongeveer 1 millimeter lang. Vervolgens gebruikten ze de digitale informatie om de fabricage van een matrix van miljoenen nanopilaren te begeleiden. De onderzoekers vertegenwoordigden de kleur en intensiteit van elk beeldelement, of pixel, van de Vermeer door een groep van vijf nanopilaren – een rode, twee groene en twee blauwe – gericht onder specifieke hoeken op het invallende licht. De onderzoekers onderzochten de millimetergrootte afbeelding die het team had gemaakt door wit licht door de nanopilaren te laten schijnen, en ontdekten dat ze “Girl With the Pearl Earring” met extreme helderheid reproduceerden, en zelfs de textuur van olieverf op canvas vastlegden.

“De kwaliteit van de reproductie, die de subtiele kleurgradaties en schaduwdetails vastlegt, is gewoon opmerkelijk”, zegt NIST-onderzoeker en co-auteur Agrawal. “Dit werk overbrugt heel elegant de velden van kunst en nanotechnologie.”

Om de nanopilaren te construeren, hebben Agrawal en zijn collega’s eerst een laag van een ultradun polymeer op glas aangebracht, slechts een paar honderd nanometer dik. Met behulp van een elektronenstraal als een miniatuurboor hebben ze vervolgens een reeks miljoenen kleine gaatjes met verschillende afmetingen en oriëntaties in het polymeer uitgegraven.

Vervolgens vulden ze met behulp van een techniek die bekend staat als atoomlaagafzetting deze gaten weer met titaniumdioxide. Ten slotte etste het team al het polymeer rond de gaten weg, waardoor miljoenen kleine pilaren van titaniumdioxide achterbleven. De afmeting en oriëntatie van elke nanopilaar vertegenwoordigden respectievelijk de tint en helderheid van de uiteindelijke afbeelding op millimetergrootte.

De nanopillar-techniek kan gemakkelijk worden aangepast om specifieke lichtkleuren, met bepaalde intensiteiten, door te geven om informatie via een optische vezel te communiceren, of om een ​​waardevol item te bedrukken met een miniatuur, meerkleurig identificatiemerk dat moeilijk te repliceren zou zijn.