De heldere wintertaling en schitterende blauwe veren van een pauw zijn niet het resultaat van pigmenten, maar eerder van netwerken op nanoschaal die specifieke golflengten van licht reflecteren. Deze zogenaamde structurele kleuring heeft onderzoekers en ingenieurs al lang geïnteresseerd vanwege de duurzaamheid en het potentieel voor toepassing in zonnepanelen, biomimetische weefsels en adaptieve camouflage. Maar de huidige technieken om structurele kleuren in materialen te integreren, zijn tijdrovend en kostbaar.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in samenwerking met King Abdullah University of Science and Technology, hebben een nieuwe ontwikkeld, robuuster en kosteneffectiever systeem om grootschalige metamaterialen met structurele kleur te bouwen. Het onderzoek wordt beschreven in het tijdschrift Natuurlicht:wetenschap en toepassingen .

Een pauwenveer of vlindervleugel vertrouwen op fotonische kristallen of zeer geordende arrays van nanovezels om kleuren te produceren. Het reproduceren van die structuren in een laboratorium vereist precisie en dure fabricage. SEAS-onderzoekers lieten zich inspireren door een heel ander soort veren.

Continga's zijn een van de meest flamboyante vogelfamilies ter wereld. In een zee van Amazonegroen, hun veren knallen met elektrische blues, heldere sinaasappels en levendige paars.

In tegenstelling tot de geordende reeks nanostructuren van een pauw, continga's krijgen hun levendige tinten van een ongeordend en poreus nanonetwerk van keratine dat eruitziet als een spons of een stuk koraal. Als het licht op de veer valt, het poreuze keratinepatroon zorgt ervoor dat rode en gele golflengten elkaar opheffen, terwijl blauwe golflengten van licht elkaar versterken.

"Gebruikelijk, we associëren het idee van wanorde met het idee dat iets oncontroleerbaar is, " zei Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van de paper. "Hier kan wanorde in ons voordeel worden gebruikt en als ontwerpparameter worden gebruikt om een ​​nieuwe klasse van metamaterialen te creëren met een breed scala aan functionaliteiten en toepassingen"

Geïnspireerd door de cotinga-veer, de onderzoekers gebruikten een eenvoudig etsproces om een ​​complex maar willekeurig poreus nanonetwerk in een metaallegering te creëren. De structuur werd vervolgens bedekt met een ultradunne transparante aluminiumoxidelaag.

Je denkt misschien, wat voor kleuren kan een metaallegering behalve grijs produceren? Zoals het blijkt, veel. Al sinds de 19e-eeuwse Engelse wetenschapper Michael Faraday, wetenschappers weten dat metalen een overvloed aan kleuren bevatten, maar licht dringt niet diep genoeg door om ze te onthullen. Een gouddeeltje, bijvoorbeeld, afhankelijk van de grootte en vorm, kan rood zijn, roze of zelfs blauw.

De poreuze nanostructuur creëert gelokaliseerde hotspots van verschillende kleuren in de legering. De kleur die wordt gereflecteerd door de gelokaliseerde toestanden is afhankelijk van de dikte van de transparante coating.

Zonder aluminiumoxidelaag ziet het materiaal er donker uit. Met een coating van 33 nanometer dik, het materiaal reflecteert blauw licht. Bij 45 nanometer, het materiaal wordt rood en met een coating van 53 nanometer dik, het materiaal is geel. Door de dikte van de coating te veranderen, de onderzoekers konden een kleurverloop creëren.

"Deze situatie komt overeen met een materiaal met een extreem groot aantal microscopische en kleurrijke lichtbronnen, " zei Andrea Fratalocchi, corresponderende auteur van het papier en hoogleraar Elektrotechniek; Toegepaste Wiskunde en Computational Science aan de King Abdullah University of Science and Technology. "De aanwezigheid van een dunne laag oxide kan de intensiteit van deze bronnen regelen, collectief in- en uitschakelen volgens de dikte van de oxidelaag. Dit onderzoek laat zien hoe ongeordende materialen kunnen worden omgezet in een extreem krachtige technologie, die grootschalige toepassingen mogelijk maken die onmogelijk zouden zijn met conventionele media."

Het meta-oppervlak is extreem licht en krasvast en kan worden gebruikt in grootschalige commerciële toepassingen zoals lichtgewicht coatings voor de automobielsector, biomimetische weefsels en camouflage

"Dit is een volledig nieuwe manier om optische reacties in metamaterialen te controleren, " zei Henning Galinski, co-eerste auteur van de paper en voormalig postdoctoraal fellow in de Capasso-groep. "We hebben nu een manier om metamaterialen te ontwikkelen in zeer kleine regio's, die voorheen te klein waren voor conventionele lithografie. Dit systeem maakt de weg vrij voor grootschalige en extreem robuuste metamaterialen die op zeer interessante manieren met licht interageren."