«Дівчину з перловою сережкою» намалювали наностовбиками зі змінюваною яскравістю

Фізики створили мікроструктуру з наностовпадів, за допомогою зміни форми і просторової орієнтації яких можна регулювати не тільки колір, а й яскравість світла, що проходить крізь них. Змінювана інтенсивність випромінювання кожного «пікселя» в такій структурі дозволила вченим працювати зі світлотінням і отримувати реалістичні глибокі зображення. Як приклад дослідники відтворили «Дівчину з перлиною сережкою» - знамениту картину нідерландського художника Яна Вермеєра. Як повідомляють автори статті, опублікованої в журналі, така техніка дозволяє створювати фотографічні зображення надзвичайно малих розмірів з плавним змішанням кольору, а в майбутньому технологію можна буде використовувати при оптоволоконній передачі інформації.

Вчені вже давно навчилися використовувати наноструктури для фарбування потрапляє на них світла: у подібних пристроях регулювання розмірів структур призводить до зміни резонансної частоти, на якій вони випромінюють. У більшості випадків це працює завдяки плазмонним резонансам у металевих наноструктурах, але нещодавно фізики змогли використовувати для цього і діелектричні метаматеріали, принцип роботи яких заснований на резонансах у процесі розсіювання Мі. Однак такі технології не передбачають зміни яскравості кінцевого випромінювання, а робота зі світлотінню необхідна для створення реалістичних зображень.

Тепер же дослідники з Китаю і США за участю Пончен Хо (Pengcheng Huo) з Нанкінського університету навчилися змінювати яскравість світла, що проходить крізь наноструктуру, і створювати за допомогою цього деталізовані зображення. Як полотно вчені використовували метаповерхність - набір еліптичних наностолбіків з діоксиду титану на плоскій підкладці з діоксиду кремнію. Структуру створили за допомогою електронної літографії з подальшим атомно-шаром, що дозволило вченим вкрай точно регулювати розмір і форму напилюваних наноструктур.

Кожному «пікселю» кінцевого зображення відповідали п'ять наностолбіків трьох різних розмірів: два стовпчики з великою і малою віссю в 250 і 50 нанометрів, ще два - з осями в 320 і 80 нанометрів, і останній - в 440 і 170 нанометрів. Найменші в перерізі стовпчики при попаданні на них білого світла світилися синім, середні - зеленим, а найбільший - червоним, а висота наноструктур дорівнювала 600 нанометрам.

У процесі виготовлення фізики розраховували і змінювали кут між віссю кожного наностолбика і напрямком поляризації падаючого на структуру білого світла. Подібні еліптичні наноструктури поляризують випромінювання, а значить, таким чином вчені могли змінювати інтенсивність світіння кожного з наностолбика і плавно переходити між кольорами і їх яскравістю, аж до повного затемнення.

Для демонстрації такого способу формування зображень на наномасштабі фізики посвітили на метаповерхність білим поляризованим світлом, і отримали точну (за винятком розміру) копію «Дівчата з перлиною сережкою» Яна Вермеєра. Розмір зображення не перевищив двох квадратних міліметрів, а кольори і тіні картини були досить близькі до оригіналу. Незважаючи на таку художність демонстрації, розроблена технологія може використовуватися і в прикладних цілях: наприклад, для регулювання яскравості і довжин хвиль випромінювання при оптоволоконній передачі інформації.

Наноструктури можуть використовуватися не тільки для зміни кольору або інтенсивності випромінювання, але і для його фокусування: раніше ми розповідали про те, як фізики за допомогою металінзи сфокусували світло у всьому видимому діапазоні. А за допомогою нанесення на скло нанотекстур, схожих на описані вище наностолбики, хіміки зробили його прозорішим.