In een kelder diep onder het Laboratory for Integrated Science and Engineering aan de Harvard University, Mikhail Kats kleedt zich aan. Mesh schoenovertrekken, een gezichtsmasker, een haarnetje, een lichtgrijze jumpsuit, kniehoge stoffen laarzen, vinyl handschoenen, veiligheidsbril, en een capuchon met gespen aan de kraag - deze zijn niet om hem te beschermen, Kat legt uit, maar om de delicate apparatuur en materialen in de cleanroom te beschermen.

Tijdens het behalen van zijn Ph.D. in toegepaste natuurkunde aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Kats heeft talloze uren doorgebracht in deze hypermoderne faciliteit. Met zijn adviseur Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering, Kats heeft bijgedragen aan een aantal verbluffende vorderingen.

Een daarvan is een metamateriaal dat 99,75 procent van het infraroodlicht absorbeert - erg handig voor warmtebeeldapparatuur. Een andere is een ultradunne, platte lens die licht focust zonder de vervormingen van conventionele lenzen te geven. En het team heeft wervelstralen geproduceerd, lichtstralen die op een kurkentrekker lijken, dat zou communicatiebedrijven kunnen helpen meer gegevens over een beperkte bandbreedte te verzenden.

Zeker de meest kleurrijke vooruitgang die voortkwam uit het Capasso-lab, echter, is een techniek die een metalen voorwerp bedekt met een extreem dunne laag halfgeleider, slechts een paar nanometer dik. Hoewel de halfgeleider een staalgrijze kleur heeft, het object eindigt in levendige tinten. Dat komt omdat de coating gebruikmaakt van interferentie-effecten in de dunne films; Kats vergelijkt het met de iriserende regenbogen die zichtbaar zijn als olie op water drijft. Zorgvuldig afgestemd in het laboratorium, deze coatings kunnen een heldere, effen roze - of, zeggen, een levendig blauw - met dezelfde twee metalen, aangebracht met slechts enkele atomen verschil in dikte.

Capasso's onderzoeksgroep maakte de bevinding in 2012 bekend maar op dat moment, ze hadden de coating alleen gedemonstreerd op relatief gladde, vlakke oppervlakken zoals silicium. Deze herfst, de groep publiceerde een tweede paper, in het journaal Technische Natuurkunde Brieven , het werk veel verder brengen.

"Ik sneed een stuk papier uit mijn notitieboekje en legde er goud en germanium op, "Kaat zegt, "en het werkte net hetzelfde."

die bevinding, bedrieglijk eenvoudig gezien de betrokken fysica, suggereert nu dat de ultradunne coatings op vrijwel elk ruw of flexibel materiaal kunnen worden aangebracht, van draagbare stoffen tot rekbare elektronica.

"Dit kan worden gezien als een manier om bijna elk object in te kleuren met slechts een kleine hoeveelheid materiaal, ' zegt Capasso.

Het was niet vanzelfsprekend dat dezelfde kleureffecten zichtbaar zouden zijn op ruwe ondergronden, omdat interferentie-effecten meestal zeer gevoelig zijn voor de lichthoek. En op een vel papier, Kat legt uit, "Er zijn heuvels en valleien en vezels en kleine dingen die uitsteken - daarom kun je je reflectie erin niet zien. Het licht verstrooit."

Anderzijds, de aangebrachte films zijn zo extreem dun dat ze bijna onmiddellijk reageren op licht, dus kijkend naar de coating recht op of vanaf de zijkant - of, zoals het blijkt, kijken naar die ruwe onvolkomenheden in het papier - maakt niet veel uit voor de kleur. En het papier blijft flexibel, zoals gewoonlijk.

De techniek demonstreren in de cleanroom van het Center for Nanoscale Systems, een door de National Science Foundation gesteunde onderzoeksfaciliteit aan Harvard, Kats gebruikt een machine die een elektronenstraalverdamper wordt genoemd om de goud- en germaniumcoating aan te brengen. Hij verzegelt het papiermonster in de kamer van de machine, en een pomp zuigt de lucht eruit totdat de druk daalt tot maar liefst 10 ^-6 Torr (een miljardste van een atmosfeer). Een stroom elektronen raakt een stuk goud in een koolstofkroes, en het metaal verdampt, omhoog reizen door het vacuüm totdat het het papier raakt. Het proces herhalen, Kats voegt de tweede laag toe. Iets meer of iets minder germanium maakt het verschil tussen indigo en karmozijn.

Deze specifieke laboratoriumtechniek, Kats wijst erop, is unidirectioneel, dus met het blote oog zijn onder verschillende hoeken zeer subtiele kleurverschillen zichtbaar, waar iets minder metaal op de zijkanten van de randen en dalen van het papier is terechtgekomen. "Je kunt je decoratieve toepassingen voorstellen waarbij je iets wilt dat een beetje van deze parelmoerachtige look heeft, waar je vanuit verschillende hoeken kijkt en een andere tint ziet, ' merkt hij op. 'Maar als we hiernaast zouden gaan en een reactieve sputterer zouden gebruiken in plaats van deze e-beam verdamper, we zouden gemakkelijk een coating kunnen krijgen die zich aanpast aan het oppervlak, en je zou geen verschillen zien."

Er zijn veel verschillende combinaties van metaal mogelijk, te. "Germanium is goedkoop. Goud is duurder, natuurlijk, maar in de praktijk gebruiken we er niet veel van, " legt Kats uit. Het team van Capasso heeft de techniek ook gedemonstreerd met aluminium.

"Dit is een manier om iets te kleuren met een heel dun laagje materiaal, dus in principe als het om te beginnen een metaal is, je kunt gewoon 10 nanometer gebruiken om het in te kleuren, en als dat niet zo is, je kunt een metaal deponeren dat 30 nm dik is en dan nog eens 10 nm. Dat is een stuk dunner dan een conventionele verflaag die tussen een micron en 10 micron dik kan zijn."

In die incidentele situaties waar het gewicht van de verf belangrijk is, dit kan erg belangrijk zijn. Capasso herinnert zich, bijvoorbeeld, dat de externe brandstoftank van NASA's spaceshuttle vroeger wit was geverfd. Na de eerste twee missies, ingenieurs stopten met schilderen en bespaarden 600 pond gewicht.

Doordat de metalen coatings veel licht absorberen, die slechts een smalle reeks golflengten weerkaatst, Capasso suggereert dat ze ook kunnen worden ingebouwd in opto-elektronische apparaten zoals fotodetectoren en zonnecellen.

"Het feit dat deze kunnen worden afgezet op flexibele substraten, heeft gevolgen voor flexibele en misschien zelfs rekbare opto-elektronica die deel kan uitmaken van uw kleding of kan worden opgerold of gevouwen, ' zegt Capasso.

Harvard's Office of Technology Development blijft commerciële kansen voor de nieuwe kleurcoatingtechnologie nastreven en verwelkomt contact van geïnteresseerde partijen.

Katten, die deze maand zijn postdoctorale onderzoekspositie van een jaar bij SEAS beëindigt, wordt assistent-professor aan de Universiteit van Wisconsin, Madison, in januari. Hij schrijft de vele uren die hij in de ultramoderne laboratoriumfaciliteiten van Harvard heeft doorgebracht, voor een groot deel van zijn succes in de toegepaste natuurkunde.

"Je leert zoveel terwijl je het doet, " zegt Kats. "Je kunt creatief zijn, onderweg iets ontdekken, iets nieuws toepassen op je onderzoek. Het is geweldig dat we hier studenten en postdocs hebben die dingen maken."