Als je ooit televisie hebt gekeken in iets anders dan totale duisternis, een computer gebruikt terwijl u onder plafondverlichting of bij een raam zat, of op een zonnige dag buiten op de foto met je smartphone, u heeft grote hinder ondervonden van moderne beeldschermen:verblinding. De meeste hedendaagse elektronische apparaten zijn uitgerust met glazen of plastic afdekkingen ter bescherming tegen stof, vochtigheid, en andere milieuverontreinigende stoffen, maar lichtreflectie van deze oppervlakken kan ervoor zorgen dat de informatie op de schermen moeilijk te zien is.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Brookhaven National Laboratory - hebben een methode gedemonstreerd om de oppervlaktereflecties van glazen oppervlakken tot bijna nul te verminderen door er minuscule nanoschaalkenmerken in te etsen.

Telkens wanneer licht een abrupte verandering in brekingsindex tegenkomt (hoeveel buigt een lichtstraal wanneer deze van het ene materiaal naar het andere gaat, zoals tussen lucht en glas), een deel van het licht wordt gereflecteerd. De kenmerken op nanoschaal zorgen ervoor dat de brekingsindex geleidelijk verandert van die van lucht naar die van glas, waardoor reflecties worden vermeden. Het ultratransparante glas met nanotextuur is antireflecterend over een breed golflengtebereik (het gehele zichtbare en nabij-infraroodspectrum) en over een breed scala aan kijkhoeken. Reflecties worden zo sterk verminderd dat het glas in wezen onzichtbaar wordt.

Dit "onzichtbare glas" zou meer kunnen doen dan de gebruikerservaring voor elektronische consumentendisplays verbeteren. Het zou de energieconversie-efficiëntie van zonnecellen kunnen verbeteren door de hoeveelheid zonlicht die verloren gaat door reflectie te minimaliseren. Het zou ook een veelbelovend alternatief kunnen zijn voor de schadegevoelige antireflectiecoatings die gewoonlijk worden gebruikt in lasers die krachtige lichtpulsen uitstralen. zoals die welke worden toegepast bij de vervaardiging van medische hulpmiddelen en onderdelen voor de ruimtevaart.

"We zijn enthousiast over de mogelijkheden, " zei CFN-directeur Charles Black, corresponderende auteur op het artikel dat op 30 oktober online is gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven . "Niet alleen zijn de prestaties van deze nanogestructureerde materialen extreem hoog, maar we implementeren ook ideeën uit de nanowetenschap op een manier die volgens ons bevorderlijk is voor grootschalige productie."

Voormalig Brookhaven Lab-postdocs Andreas Liapis, nu een research fellow bij het Wellman Center for Photomedicine van het Massachusetts General Hospital, en Atikur Rahman, een assistent-professor bij de afdeling Natuurkunde van het Indian Institute of Science Education and Research, Poona, zijn co-auteurs.

Om de glasoppervlakken op nanoschaal te structureren, de wetenschappers gebruikten een benadering die zelfassemblage wordt genoemd, dat is het vermogen van bepaalde materialen om spontaan op zichzelf geordende arrangementen te vormen. In dit geval, de zelfassemblage van een blokcopolymeermateriaal leverde een sjabloon voor het etsen van het glasoppervlak in een "bos" van kegelvormige structuren op nanoschaal met scherpe punten - een geometrie die de oppervlaktereflecties bijna volledig elimineert. Blokcopolymeren zijn industriële polymeren (herhalende ketens van moleculen) die in veel producten, inclusief schoenzolen, plakband, en auto-interieurs.

Black en CFN-collega's hebben eerder een vergelijkbare nanotextuurtechniek gebruikt om silicium, glas, en sommige plastic materialen met waterafstotende en zelfreinigende eigenschappen en anti-condens eigenschappen, en ook om silicium zonnecellen antireflecterend te maken. De oppervlakte-nanotexturen bootsen die in de natuur na, zoals de kleine lichtvangende paaltjes die de ogen van motten donker maken om de insecten te helpen detectie door roofdieren te voorkomen en de wasachtige kegels die de vleugels van de cicade schoon houden.

"Deze eenvoudige techniek kan worden gebruikt om bijna elk materiaal te nanotexturen met nauwkeurige controle over de grootte en vorm van de nanostructuren, " zei Rahman. "Het beste is dat je geen aparte coatinglaag nodig hebt om verblinding te verminderen, en de oppervlakken met nanotextuur overtreffen elk coatingmateriaal dat tegenwoordig beschikbaar is."

"We hebben reflecties van glazen ramen geëlimineerd, niet door het glas te coaten met lagen van verschillende materialen, maar door de geometrie van het oppervlak op nanoschaal te veranderen, " voegde Liapis toe. "Omdat onze uiteindelijke structuur volledig uit glas bestaat, het is duurzamer dan conventionele antireflectiecoatings."

Om de prestaties van de nanogestructureerde glasoppervlakken te kwantificeren, de wetenschappers maten de hoeveelheid licht die door de oppervlakken werd doorgelaten en weerkaatst. In goede overeenstemming met hun eigen modelsimulaties, de experimentele metingen van oppervlakken met nanotexturen van verschillende hoogtes laten zien dat hogere kegels minder licht reflecteren. Bijvoorbeeld, glazen oppervlakken bedekt met 300 nanometer hoge nanotexturen reflecteren minder dan 0,2 procent van het binnenkomende roodgekleurde licht (633 nanometer golflengte). Zelfs bij de nabij-infrarode golflengte van 2500 nanometer en kijkhoeken tot 70 graden, de hoeveelheid licht die door de nanogestructureerde oppervlakken gaat, blijft hoog - boven de 95 en 90 procent, respectievelijk.

In een ander experiment, ze vergeleken de prestaties van een commerciële siliciumzonnecel zonder deksel, met een conventionele glazen afdekking, en met een nanogestructureerde glazen kap. De zonnecel met de nanogetextureerde glazen afdekking wekte dezelfde hoeveelheid elektrische stroom op als de zonnecel zonder afdekking. Ze stelden hun glas met nanostructuur ook bloot aan korte laserpulsen om de intensiteit te bepalen waarmee het laserlicht het materiaal begint te beschadigen. Hun metingen laten zien dat het glas drie keer meer optische energie per oppervlakte-eenheid kan weerstaan ​​dan in de handel verkrijgbare antireflectiecoatings die over een breed golflengtebereik werken.

"Onze rol in de CFN is om aan te tonen hoe nanowetenschap het ontwerp van nieuwe materialen met verbeterde eigenschappen kan vergemakkelijken, "zei Black. "Dit werk is daar een goed voorbeeld van - we zouden graag een partner vinden om deze opmerkelijke materialen naar technologie te brengen."