Chemici aan de Universiteit van Californië, Riverside heeft kleine, staafjes van ijzeroxidedeeltjes op nanoschaal in het laboratorium die reageren op een extern magnetisch veld op een manier die de manier waarop visuele informatie in de toekomst wordt weergegeven drastisch zou kunnen verbeteren.

Eerder, Yadong Yin's lab toonde aan dat wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast op ijzeroxidedeeltjes in oplossing, de oplossing verandert van kleur als reactie op de sterkte en oriëntatie van het magnetische veld. Nu is zijn lab erin geslaagd om een ​​coating van silica (siliciumdioxide) op de ijzeroxidedeeltjes aan te brengen, zodat wanneer ze samenkomen in oplossing, als lineair verbonden bollen, ze vormen uiteindelijk kleine staafjes - of "nanorods" - die hun peapod-achtige structuur permanent behouden.

Wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast op de oplossing van nanostaafjes, ze richten zich evenwijdig aan elkaar als een stel kleine zaklampen die in één richting worden gedraaid, en een schitterende kleur weergeven.

"We hebben in wezen afstembare fotonische materialen ontwikkeld waarvan de eigenschappen kunnen worden gemanipuleerd door hun oriëntatie te veranderen met externe velden, " zei Yin, een assistent-professor scheikunde. "Deze nanostaafjes met configureerbare interne periodiciteit vertegenwoordigen de kleinst mogelijke fotonische structuren die zichtbaar licht effectief kunnen buigen. Dit werk maakt de weg vrij voor het fabriceren van magnetisch responsieve fotonische structuren met aanzienlijk kleinere afmetingen, zodat kleurmanipulatie met een hogere resolutie kan worden gerealiseerd."

Toepassingen van de technologie omvatten high-definition patroonvorming, affiches, afbeeldingen, energiezuinige kleurendisplays, en apparaten zoals verkeerslichten die routinematig een reeks kleuren gebruiken. Andere toepassingen zijn bio- en chemische detectie, evenals biomedische labeling en beeldvorming. Kleurendisplays die momenteel niet goed zichtbaar zijn in zonlicht, bijvoorbeeld een laptopscherm - zal duidelijker en helderder worden gezien op apparaten die gebruikmaken van de nanorod-technologie, omdat de staafjes eenvoudig een kleur afbuigen van het zichtbare licht dat erop valt.

Studieresultaten verschijnen vandaag (14 maart) online in Angewandte Chemie . Het onderzoek zal worden uitgelicht op de achterkant van een aanstaande gedrukte uitgave.

In het labortorium, Yin en zijn afgestudeerde studenten Yongxing Hu en Le He bedekten de magnetische ijzeroxidemoleculen aanvankelijk met een dunne laag silica. Daarna pasten ze een magnetisch veld toe om de deeltjes tot kettingen te assembleren. Volgende, ze bedekten de kettingen met een extra laag silica zodat een silica-omhulsel rond de kettingstructuur kon worden gevormd en gestabiliseerd.

Volgens de onderzoekers is de timing van blootstelling aan magnetische velden is van cruciaal belang voor het succes van de ketenvorming, omdat het de "interparticle"-afstand - de afstand tussen twee willekeurige deeltjes - binnen fotonische ketens kan verfijnen. Ze melden dat de ketening van de magnetische deeltjes moet worden veroorzaakt door korte blootstelling aan externe velden tijdens het silica-coatingproces, zodat de deeltjes tijdelijk met elkaar verbonden blijven, waardoor extra silicaafzetting mogelijk is om de kettingen vervolgens in mechanisch robuuste staven of draden te bevestigen.

Ze rapporteren ook in de onderzoekspaper dat de interdeeltjesafstand binnen de ketens in een monster kan worden verfijnd door de timing van de blootstelling aan het magnetische veld aan te passen; de lengte van de afzonderlijke kettingen, die geen invloed heeft op de weergegeven kleur, kan worden geregeld door de duur van de blootstelling aan het magnetische veld te wijzigen.

"De fotonische nanostaafjes die we hebben ontwikkeld, verspreiden zich willekeurig in oplossing in afwezigheid van een magnetisch veld, maar aligneren zichzelf en tonen diffractiekleur direct wanneer een extern veld wordt toegepast, " zei Yin. "Het is de periodieke rangschikking van de ijzeroxidedeeltjes die zichtbaar licht effectief buigt en schitterende kleuren weergeeft."

Hij legde uit dat alle eendimensionale fotonische staven in een monster een enkele kleur vertonen omdat de deeltjes zichzelf rangschikken met uniforme periodiciteit - dat wil zeggen, de afstand tussen de deeltjes binnen alle ketens is hetzelfde, ongeacht de lengte van de afzonderlijke kettingen. Verder, de fotonische ketens blijven in magnetische velden van elkaar gescheiden door de magnetische afstotende kracht die loodrecht op de richting van het magnetische veld werkt.

De onderzoekers merken op dat een eenvoudige en handige manier om de periodiciteit in de staven te veranderen, is om ijzeroxideclusters van verschillende groottes te gebruiken. Dit, ze beweren, zou het mogelijk maken om fotonische staven te produceren met diffractiegolflengten over een breed spectrum van bijna-ultraviolet tot bijna-infrarood.

"Een groot voordeel van de nieuwe technologie is dat het nauwelijks energie kost om de oriëntatie van de nanostaafjes te veranderen en helderheid of een kleur te bereiken, " zei Yin. "Een huidig ​​nadeel, echter, is dat de afstand tussen de deeltjes binnen de kettingen vast wordt zodra de silica-coating is aangebracht, waardoor er geen flexibiliteit en slechts één kleur kan worden weergegeven."

Zijn lab werkt nu aan bistabiliteit voor de nanostaafjes. Als het laboratorium succesvol is, de nanostaafjes zouden in staat zijn om twee kleuren te buigen, een per keer.

"Hierdoor kan hetzelfde apparaat of dezelfde pixel een tijdje een kleur weergeven en later een andere kleur, " zei Yin, een Cottrell-geleerde.