Plasmonisch printen produceert resoluties die meerdere malen groter zijn dan conventionele printmethoden. Bij plasmonisch printen, kleuren worden gevormd op de oppervlakken van kleine metaaldeeltjes wanneer licht hun elektronen aanzet om te oscilleren. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart hebben nu laten zien hoe de kleuren van dergelijke metaaldeeltjes kunnen worden veranderd met waterstof. De techniek zou de weg kunnen openen voor het animeren van afbeeldingen met ultrahoge resolutie en voor het ontwikkelen van extreem scherpe displays. Tegelijkertijd, het biedt nieuwe benaderingen voor het versleutelen van informatie en het opsporen van vervalsingen.

Glasambachtslieden in de middeleeuwen maakten gebruik van het effect lang voordat het zelfs maar bekend was. Ze kleurden de prachtige ramen van gotische kathedralen met nanodeeltjes van goud, die rood gloeide in het licht. Pas in het midden van de 20e eeuw kreeg het onderliggende fysische fenomeen een naam:plasmons. Deze collectieve oscillaties van vrije elektronen worden gestimuleerd door de absorptie van invallende elektromagnetische straling. Hoe kleiner de metaaldeeltjes, hoe korter de golflengte van de geabsorbeerde straling. In sommige gevallen, de resonantiefrequentie, d.w.z., het absorptiemaximum, valt binnen het zichtbare lichtspectrum. Het niet-geabsorbeerde deel van het spectrum wordt dan verstrooid of gereflecteerd, het creëren van een impressie van kleur. De metaaldeeltjes, die meestal zilverachtig lijken, koperkleurig of goudkleurig, neem dan geheel nieuwe kleuren aan.

Een resolutie van 100, 000 punten per inch

Onderzoekers maken ook gebruik van het effect om plasmonische afdrukken te ontwikkelen, waarbij op maat gemaakte vierkante metaaldeeltjes in specifieke patronen op een substraat worden gerangschikt. De randlengte van de deeltjes is in de orde van minder dan 100 nanometer (100 miljardste van een meter). Dit maakt een resolutie van 100, 000 dots per inch – meerdere keren meer dan wat de huidige printers en displays kunnen bereiken.

Voor metaaldeeltjes met een diameter van enkele 100 nanometer, de resonantiefrequentie van de plasmonen ligt binnen het zichtbare lichtspectrum. Wanneer wit licht op dergelijke deeltjes valt, ze verschijnen in een bepaalde kleur, bijvoorbeeld rood of blauw. De kleur van het betreffende metaal wordt bepaald door de grootte van de deeltjes en hun onderlinge afstand. Deze aanpassingsparameters dienen daarom bij plasmonisch printen hetzelfde doel als het kleurenpalet in de schilderkunst.

De truc met de chemische reactie

De Smart Nanoplasmonics Research Group van het Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart maakt ook gebruik van deze kleurvariabiliteit. Ze werken momenteel aan het maken van dynamisch plasmonisch printen. Ze hebben nu een aanpak gepresenteerd waarmee ze de kleuren van de pixels voorspelbaar kunnen veranderen - zelfs nadat een afbeelding is afgedrukt. "De truc is om magnesium te gebruiken. Het kan een omkeerbare chemische reactie ondergaan waarbij het metallische karakter van het element verloren gaat, " legt Laura Na Liu uit, die de onderzoeksgroep in Stuttgart leidt. "Magnesium kan tot 7,6 gew.% waterstof absorberen om magnesiumhydride te vormen, of MgH2", Liu gaat verder. De onderzoekers coaten het magnesium met palladium, die als katalysator in de reactie werkt.

Tijdens de continue overgang van metallisch magnesium naar niet-metaal MgH2, de kleur van sommige pixels verandert meerdere keren. De kleurverandering en de snelheid van het verloop volgen een duidelijk patroon. Dit wordt zowel bepaald door de grootte van en de afstand tussen de afzonderlijke magnesiumdeeltjes als door de hoeveelheid aanwezige waterstof.

In het geval van totale waterstofverzadiging, de kleur verdwijnt volledig, en de pixels reflecteren al het witte licht dat erop valt. Dit komt doordat het magnesium niet meer in metallische vorm aanwezig is maar alleen als MgH2. Vandaar, er zijn ook geen vrije metaalelektronen die kunnen oscilleren.

De verdwijnende act van Minerva

De wetenschappers demonstreerden het effect van dergelijk dynamisch kleurgedrag op een plasmonische afdruk van Minerva, de Romeinse godin van de wijsheid, die ook het logo van de Max Planck Society droeg. Ze kozen de grootte van hun magnesiumdeeltjes zodat Minerva's haar eerst roodachtig leek, de hoofdbedekking geel, de veerkam rood en de lauwerkrans en de omtrek van haar gezicht blauw. Vervolgens wasten ze de microprint met waterstof. Een time-lapse film laat zien hoe de individuele kleuren veranderen. Geel wordt rood, rood wordt blauw, en blauw wordt wit. Na een paar minuten verdwijnen alle kleuren, het onthullen van een wit oppervlak in plaats van Minerva.

De wetenschappers toonden ook aan dat dit proces omkeerbaar is door de waterstofstroom te vervangen door een stroom zuurstof. De zuurstof reageert met de waterstof in het magnesiumhydride om water te vormen, zodat de magnesiumdeeltjes weer metallisch worden. De pixels veranderen dan weer in omgekeerde volgorde, en uiteindelijk verschijnt Minerva in haar oorspronkelijke kleuren.

Op vergelijkbare wijze lieten de onderzoekers eerst het microbeeld van een beroemd schilderij van Van Gogh verdwijnen en daarna weer verschijnen. Ook maakten ze complexe animaties die de indruk wekken van vuurwerk.

Het principe van een nieuwe encryptietechniek

Laura Na Liu kan zich voorstellen dit principe te gebruiken in een nieuwe encryptietechnologie. Om dit aan te tonen, de groep vormde verschillende letters met magnesiumpixels. Door de toevoeging van waterstof verdwenen er na verloop van tijd enkele letters, zoals het beeld van Minerva. "Wat de rest van de brieven betreft, een dunne oxidelaag gevormd op de magnesiumdeeltjes na een korte blootstelling van het monster aan de lucht vóór de afzetting van palladium, " legt Liu uit. Deze laag is ondoordringbaar voor waterstof. Het magnesium dat onder de oxidelaag ligt, blijft dus metallisch - en zichtbaar - omdat licht de plasmonen in het magnesium kan prikkelen.

Op deze manier is het mogelijk om een ​​bericht te verbergen, bijvoorbeeld door echte en onzinnige informatie te vermengen. Alleen de beoogde ontvanger kan de onzinnige informatie laten verdwijnen en de echte boodschap eruit filteren. Bijvoorbeeld, na het decoderen van het bericht "Hartford" met waterstof, alleen de woorden "kunst of" zouden zichtbaar blijven. Om het moeilijker te maken om dergelijke versleutelde berichten te kraken, de groep werkt momenteel aan een proces waarvoor een nauwkeurig aangepaste waterstofconcentratie nodig is om te ontcijferen.

Liu gelooft dat de technologie ooit ook kan worden gebruikt in de strijd tegen namaak. "Bijvoorbeeld, plasmonische echtheidskenmerken kunnen worden afgedrukt op bankbiljetten of farmaceutische verpakkingen, die later alleen konden worden gecontroleerd of gelezen onder specifieke omstandigheden die de vervalsers niet kennen."

Het hoeft niet per se waterstof te zijn

Laura Na Liu weet dat het gebruik van waterstof sommige toepassingen moeilijk en onpraktisch maakt voor dagelijks gebruik, zoals in mobiele displays. "We zien ons werk als een startschot voor een nieuw principe:het gebruik van chemische reacties voor dynamisch printen, ", zegt de natuurkundige uit Stuttgart. Het is zeker denkbaar dat het onderzoek binnenkort zal leiden tot de ontdekking van chemische reacties voor andere kleurveranderingen dan de faseovergang tussen magnesium en magnesiumdihydride, bijvoorbeeld, reacties die geen gasvormige reactanten nodig hebben.