Door wit licht te laten schijnen op een glasplaatje bezaaid met miljoenen minuscule titaandioxidepilaren, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun medewerkers hebben met verbazingwekkende getrouwheid de lichtgevende tinten en subtiele schakeringen van "Girl With a Pearl Earring, "Het meesterwerk van de Nederlandse kunstenaar Johannes Vermeer. De aanpak heeft potentiële toepassingen bij het verbeteren van optische communicatie en het moeilijker maken van valuta om te vervalsen.

Bijvoorbeeld, door een bepaalde kleur toe te voegen of te laten vallen, of golflengte, van licht dat in een optische vezel reist, wetenschappers kunnen de hoeveelheid informatie controleren die door de vezel wordt gedragen. Door de intensiteit te veranderen, onderzoekers kunnen de helderheid van het lichtsignaal behouden terwijl het lange afstanden in de vezel aflegt. De aanpak kan ook worden gebruikt om papiergeld te "schilderen" met kleine maar ingewikkelde kleurdetails die een vervalser met grote moeite zou kunnen vervalsen.

Andere wetenschappers hebben eerder kleine pilaren gebruikt, of nanopijlers, van verschillende afmetingen om specifieke kleuren op te vangen en uit te zenden wanneer ze worden verlicht met wit licht. De breedte van de nanopilaren, die ongeveer 600 nanometer hoog zijn, of minder dan een honderdste van de diameter van een mensenhaar, bepaalt de specifieke kleur van het licht dat een pilaar opvangt en uitstraalt. Voor een veeleisende test van een dergelijke techniek, onderzoekers onderzochten hoe goed de nanopilaren de kleuren van een bekend schilderij reproduceerden, zoals de Vermeer.

Hoewel verschillende teams van onderzoekers met succes miljoenen nanopilaren hadden gerangschikt waarvan de afmetingen waren aangepast om rood door te geven, groen of blauw licht om een ​​specifiek palet van uitvoerkleuren te creëren, de wetenschappers hadden geen manier om de intensiteit van die kleuren te beheersen. De intensiteit, of helderheid, van kleuren bepaalt het licht en de schaduw van een afbeelding - het clair-obscur - en verbetert het vermogen om indrukken van perspectief en diepte over te brengen, een kenmerkend kenmerk van het werk van Vermeer.

Nutsvoorzieningen, door nanopilaren te fabriceren die niet alleen specifieke kleuren licht opvangen en uitzenden, maar ook de polarisatie ervan in verschillende mate veranderen, de NIST-onderzoekers en hun medewerkers van de Nanjing University in China hebben voor het eerst een manier aangetoond om zowel kleur als intensiteit te beheersen. De onderzoekers, waaronder Amit Agrawal en Wenqi Zhu van NIST en de Universiteit van Maryland in College Park, en Henri Lezec van NIST, beschrijven hun bevindingen in het 20 september nummer van het tijdschrift optiek , vandaag online gezet.

In hun nieuwe werk het NIST-team vervaardigde op een glasplaatje nanopilaren van titaniumdioxide met een elliptische dwarsdoorsnede in plaats van een cirkelvormige. Ronde objecten hebben een enkele uniforme diameter, maar elliptische objecten hebben een lange as en een korte as.

De onderzoekers ontwierpen de nanopilaren zo dat op verschillende locaties hun lange as meer of minder uitgelijnd was met de polarisatie van het binnenkomende witte licht. (Gepolariseerd licht is licht waarvan het elektrische veld in een bepaalde richting trilt terwijl het door de ruimte reist.) Als de lange as van de nanopijler precies was uitgelijnd met de polarisatierichting van het binnenkomende licht, de polarisatie van het doorgelaten licht was onaangetast. Maar als de lange as over een bepaalde hoek was gedraaid, bijvoorbeeld 20 graden, ten opzichte van de polarisatierichting van het invallende licht, de nanopijler draaide de polarisatie van het invallende licht met twee keer die hoek - in dit geval 40 graden.

Op elke plaats op het glasplaatje, de oriëntatie van een nanopijler roteerde de polarisatie van het rood, groen of blauw licht dat het met een bepaalde hoeveelheid doorlaat.

op zichzelf, de rotatie die door elke nanopijler wordt gegeven, zou op geen enkele manier de intensiteit van het doorgelaten licht veranderen. Maar in combinatie met een speciaal polarisatiefilter op de achterkant van het glasplaatje, het team heeft dat doel bereikt.

Het filter was zo georiënteerd dat het verhinderde dat er licht doorheen ging dat zijn oorspronkelijke polarisatie had behouden. (Zonnebrillen werken op vrijwel dezelfde manier:de lenzen werken als verticaal gepolariseerde filters, vermindering van de intensiteit van horizontaal gepolariseerde schittering.) Dat zou het geval zijn voor elke plaats op het glasplaatje waar een nanopilaar de polarisatie van het invallende licht ongewijzigd had gelaten. Zo'n gebied zou als een donkere vlek op een scherm in de verte worden geprojecteerd.

Op plaatsen waar een nanopijler de polarisatie van het invallende witte licht had gedraaid, het filter stond een bepaalde hoeveelheid rood toe, groen of blauw licht te passeren. De hoeveelheid was afhankelijk van de rotatiehoek; hoe groter de hoek, hoe groter de intensiteit van het doorgelaten licht. Op deze manier, het team, Voor de eerste keer, zowel kleur als helderheid geregeld.

Nadat de NIST-onderzoekers het basisontwerp hadden gedemonstreerd, ze maakten een digitale kopie van een miniatuurversie van het schilderij van Vermeer, ongeveer 1 millimeter lang. Vervolgens gebruikten ze de digitale informatie om de fabricage van een matrix van miljoenen nanopilaren te begeleiden. De onderzoekers gaven de kleur en intensiteit van elk beeldelement weer, of pixel, van de Vermeer door een groep van vijf nanopilaren - een rode, twee groene en twee blauwe - georiënteerd onder specifieke hoeken ten opzichte van het invallende licht. Bij het onderzoeken van de millimetergrote afbeelding die het team had gemaakt door wit licht door de nanopilaren te laten schijnen, de onderzoekers ontdekten dat ze "Girl With the Pearl Earring" met extreme duidelijkheid reproduceerden, zelfs het vastleggen van de textuur van olieverf op canvas.

"De kwaliteit van de reproductie, het vastleggen van de subtiele kleurgradaties en schaduwdetails, is gewoon opmerkelijk, "Zei NIST-onderzoeker en co-auteur van de studie Agrawal. "Dit werk vormt een vrij elegante brug tussen kunst en nanotechnologie."

Om de nanopilaren te construeren, Agrawal en zijn collega's brachten eerst een laag ultradun polymeer aan op glas, slechts een paar honderd nanometer dik. Met behulp van een elektronenstraal als een miniatuurboor, ze hebben vervolgens een reeks van miljoenen kleine gaatjes van verschillende afmetingen en oriëntaties in het polymeer uitgegraven.

Vervolgens, met behulp van een techniek die bekend staat als atomaire laagafzetting, ze vulden deze gaten op met titaniumdioxide. Eindelijk, het team heeft al het polymeer rondom de gaten weggeëtst, miljoenen kleine pilaren van titaniumdioxide achterlatend. De afmeting en oriëntatie van elke vertegenwoordigde nanopijler, respectievelijk, de tint en helderheid van de uiteindelijke afbeelding op millimeterformaat.

De nanopijlertechniek kan eenvoudig worden aangepast om specifieke lichtkleuren door te laten, met een bepaalde intensiteit, om informatie te communiceren via een optische vezel, of om een ​​waardevol item te bedrukken met een miniatuur, veelkleurig identificatieteken dat moeilijk te repliceren zou zijn.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.