La ilustración muestra una reproducción fiel de la “Chica con un pendiente de perla” de Johannes Vermeer utilizando millones de nanopilares que controlan tanto el color como la intensidad de la luz incidente. Crédito: T. Xu / Universidad de Nanjing
El enfoque tiene aplicaciones potenciales para mejorar las comunicaciones ópticas y hacer que la moneda sea más difícil de falsificar.
Al hacer brillar una luz blanca sobre un portaobjetos de vidrio punteado con millones de diminutos pilares de dióxido de titanio, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colaboradores han reproducido con asombrosa fidelidad los tonos luminosos y sutiles matices de “Girl With a Pearl Earring , Obra maestra del artista holandés Johannes Vermeer. El enfoque tiene aplicaciones potenciales para mejorar las comunicaciones ópticas y hacer que la moneda sea más difícil de falsificar.
Por ejemplo, al agregar o eliminar un color o longitud de onda particular de la luz que viaja en una fibra óptica, los científicos pueden controlar la cantidad de información transportada por la fibra. Al alterar la intensidad, los investigadores pueden mantener el brillo de la señal luminosa mientras viaja largas distancias en la fibra. El enfoque también podría usarse para “pintar” billetes con detalles de color pequeños pero intrincados que un falsificador tendría grandes dificultades para falsificar.
Otros científicos han utilizado previamente pilares diminutos, o nanopilares, de diferentes tamaños para atrapar y emitir colores específicos cuando se iluminan con luz blanca. El ancho de los nanopilares, que tienen unos 600 nanómetros de altura, o menos de una centésima parte del diámetro de un cabello humano, determina el color específico de la luz que un pilar atrapa y emite. Para una prueba exigente de tal técnica, los investigadores examinaron qué tan bien los nanopilares reproducían los colores de una pintura familiar, como Vermeer.
Izquierda: esquema para generar una imagen de nanopintura a todo color. Los recuadros muestran un nanopilar de dióxido de titanio constituyente y una imagen de microscopio electrónico de barrido de los nanopilares fabricados. El sombreado de color falso indica los colores primarios generados por los nanopilares. Barra de escala: 500 nm. Derecha: Imagen en color experimental de “Chica con un pendiente de perla” generada bajo iluminación de luz blanca. Barra de escala: 50 μm. Crédito: T. Xu / Universidad de Nanjing
Aunque varios equipos de investigadores habían dispuesto con éxito millones de nanopilares cuyos tamaños se adaptaron para transmitir luz roja, verde o azul para crear una paleta específica de colores de salida, los científicos no tenían forma de controlar la intensidad de esos colores. La intensidad, o brillo, de los colores determina la luz y la sombra de una imagen: su claroscuro —Y mejora la capacidad de transmitir impresiones de perspectiva y profundidad, una característica distintiva del trabajo de Vermeer.
Ahora, al fabricar nanopilares que no solo atrapan y emiten colores específicos de luz, sino que también cambian su polarización en diversos grados, los investigadores del NIST y sus colaboradores de la Universidad de Nanjing en China han demostrado por primera vez una forma de controlar tanto el color como la intensidad. Los investigadores, que incluyen a Amit Agrawal y Wenqi Zhu de NIST y la Universidad de Maryland en College Park, y Henri Lezec de NIST, describen sus hallazgos en la edición del 20 de septiembre de la revista. Optica.
En su nuevo trabajo, el equipo del NIST fabricó en un portaobjetos de vidrio nanopilares de dióxido de titanio que tenían una sección transversal elíptica en lugar de circular. Los objetos circulares tienen un único diámetro uniforme, pero los objetos elípticos tienen un eje largo y un eje corto.
Los investigadores diseñaron los nanopilares para que en diferentes ubicaciones su eje largo estuviera más alineado o menos alineado con la polarización de la luz blanca entrante. (La luz polarizada es luz cuyo campo eléctrico vibra en una dirección particular a medida que viaja a través del espacio). Si el eje largo del nanopilar estaba exactamente alineado con la dirección de polarización de la luz entrante, la polarización de la luz transmitida no se vio afectada. Pero si el eje largo giraba en algún ángulo, por ejemplo 20 grados, en relación con la dirección de polarización de la luz entrante, el nanopilar giraba la polarización de la luz incidente en el doble de ese ángulo, en este caso, 40 grados.
En cada lugar del portaobjetos de vidrio, la orientación de un nanopilar hizo girar la polarización de la luz roja, verde o azul que transmitía en una cantidad específica.
Por sí misma, la rotación impartida por cada nanopilar no alteraría de ninguna manera la intensidad de la luz transmitida. Pero en conjunto con un filtro polarizador especial colocado en la parte posterior del portaobjetos de vidrio, el equipo logró ese objetivo.
El filtro se orientó de modo que impidiera que pasara la luz que había conservado su polarización original. (Las gafas de sol funcionan de la misma manera: las lentes actúan como filtros polarizados verticalmente, reduciendo la intensidad del deslumbramiento polarizado horizontalmente). Ese sería el caso para cualquier lugar del portaobjetos de vidrio donde un nanopilar hubiera dejado inalterada la polarización de la luz incidente. . Una región así se proyectaría como un punto oscuro en una pantalla distante.
En lugares donde un nanopilar había rotado la polarización de la luz blanca incidente, el filtro permitió que pasara una cierta cantidad de luz roja, verde o azul. La cantidad dependía del ángulo de rotación; cuanto mayor sea el ángulo, mayor será la intensidad de la luz transmitida. De esta forma, el equipo, por primera vez, controló tanto el color como el brillo.
Una vez que los investigadores del NIST demostraron el diseño básico, crearon una copia digital de una versión en miniatura de la pintura de Vermeer, de aproximadamente 1 milímetro de largo. Luego utilizaron la información digital para guiar la fabricación de una matriz de millones de nanopilares. Los investigadores representaron el color y la intensidad de cada elemento de la imagen, o píxel, del Vermeer mediante un grupo de cinco nanopilares, uno rojo, dos verdes y dos azules, orientados en ángulos específicos a la luz entrante. Al examinar la imagen de tamaño milimétrico que el equipo había creado al hacer brillar la luz blanca a través de los nanopilares, los investigadores encontraron que reproducían “Chica con el pendiente de perla” con extrema claridad, incluso capturando la textura de la pintura al óleo sobre lienzo.
“La calidad de la reproducción, capturando las sutiles gradaciones de color y los detalles de las sombras, es simplemente notable”, dijo Agrawal, investigador del NIST y coautor del estudio. “Este trabajo une elegantemente los campos del arte y la nanotecnología”.
Para construir los nanopilares, Agrawal y sus colegas primero depositaron una capa de un polímero ultrafino sobre vidrio, de solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor. Usando un haz de electrones como un taladro en miniatura, luego excavaron una serie de millones de pequeños agujeros de diferentes dimensiones y orientaciones en el polímero.
Luego, utilizando una técnica conocida como deposición de capa atómica, rellenaron estos agujeros con dióxido de titanio. Finalmente, el equipo grabó todo el polímero que rodeaba los agujeros, dejando atrás millones de diminutos pilares de dióxido de titanio. La dimensión y orientación de cada nanopilar representaron, respectivamente, el tono y el brillo de la imagen final de tamaño milimétrico.
La técnica de nanopilares se puede adaptar fácilmente para transmitir colores específicos de luz, con intensidades particulares, para comunicar información a través de una fibra óptica o para imprimir un artículo valioso con una marca de identificación en miniatura de varios colores que sería difícil de replicar.
Referencia: “Nanopintura fotorrealista a todo color habilitada por una metasuperficie de baja pérdida” por Pengcheng Huo, Maowen Song, Wenqi Zhu, Cheng Zhang, Lu Chen, Henri J. Lezec, Yanqing Lu, Amit Agrawal y Ting Xu, 4 de septiembre de 2020, Optica.
DOI: 10.1364 / OPTICA.403092
