光で絵を描く: 新しいナノピラーが透過光の色と強度を正確に制御

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クレジット：T。Xu/ Nanjing University Illustrationは、入射光の色と強度の両方を制御する何百万ものナノピラーを使用して、ヨハネスフェルメールの「真珠の耳飾りの少女」を忠実に再現したものです。

クレジット：T. Xu /南京大学
イラストは、入射光の色と強度の両方を制御する数百万のナノピラーを使用して、ヨハネスフェルメールの「真珠の耳飾りの少女」を忠実に再現したものです。

要約：
何百万もの小さな二酸化チタンの柱が点在するガラススライドに白色光を当てることにより、国立標準技術研究所（NIST）とその共同研究者の研究者たちは、「真珠の耳飾りの少女」の明るい色合いと微妙な陰影を驚くほど忠実に再現しました。」、オランダのアーティスト、ヨハネスフェルメールの傑作。このアプローチには、光通信を改善し、通貨の偽造を困難にする潜在的な用途があります。

光による塗装：新しいナノピラーが透過光の色と強度を正確に制御

ゲイサーズバーグ、MD | 投稿日：4年2020月XNUMX日

たとえば、特定の色、または光ファイバーを伝わる光の波長を追加または削除することにより、科学者はファイバーによって運ばれる情報の量を制御できます。強度を変えることにより、研究者は光信号がファイバ内を長距離移動するときに光信号の明るさを維持できます。このアプローチは、偽造者が偽造するのが非常に困難である小さいが複雑な色の詳細で紙幣を「ペイント」するためにも使用できます。

他の科学者は以前、さまざまなサイズの小さな柱またはナノ柱を使用して、白色光で照らされたときに特定の色をトラップして放出しました。高さが約600ナノメートル、または人間の髪の毛の直径のXNUMX分のXNUMX未満であるナノピラーの幅は、ピラーがトラップして放出する光の特定の色を決定します。そのような技術の厳しいテストのために、研究者たちはナノピラーがフェルメールのようなおなじみの絵の色をどれだけうまく再現したかを調べました。

研究者のいくつかのチームは、赤、緑、または青の光を透過して特定の出力色のパレットを作成するようにサイズが調整された数百万のナノピラーの配置に成功しましたが、科学者にはそれらの色の強度を制御する方法がありませんでした。色の強度、つまり明るさは、画像の光と影（その明暗法）を決定し、フェルメールの作品の特徴である遠近感と奥行きの印象を伝える能力を高めます。

現在、特定の色の光を閉じ込めて放出するだけでなく、偏光をさまざまな角度で変化させるナノピラーを製造することによって、NISTの研究者と中国の南京大学の共同研究者は、色と強度の両方を制御する方法を初めて実証しました。 NISTのAmit AgrawalとWenqi Zhu、カレッジパークのメリーランド大学、およびNISTのHenri Lezecを含む研究者は、本日オンラインで掲載されたジャーナルOpticaの20月XNUMX日号でその発見について述べています。

彼らの新しい研究では、NISTチームは、円形ではなく楕円形の断面を持つ二酸化チタンのガラススライドナノピラーを作製しました。円形のオブジェクトには単一の均一な直径がありますが、楕円形のオブジェクトには長軸と短軸があります。

研究者たちは、ナノピラーを設計して、異なる場所で長軸が入射する白色光の偏光に揃えられる、または揃えられないようにしました。（偏光は、空間を移動するときに電界が特定の方向に振動する光です。）ナノピラーの長軸が入射光の偏光方向と正確に一致していれば、透過光の偏光は影響を受けません。しかし、長軸が入射光の偏光方向に対してある角度（たとえば20度）だけ回転した場合、ナノピラーは入射光の偏光をその角度の40倍（この場合はXNUMX度）回転させました。

スライドガラスの各位置で、ナノピラーの向きが、特定の量だけ透過した赤、緑、または青の光の偏光を回転させました。

それ自体、各ナノピラーによって与えられる回転は、透過光の強度を決して変更しません。しかし、ガラススライドの背面に配置された特別な偏光フィルターと連携して、チームはその目標を達成しました。

フィルターは、元の偏光を保持していた光が通過しないように配置されています。（サングラスはほとんど同じように機能します：レンズは垂直偏光フィルターとして機能し、水平偏光グレアの強度を低減します。）これは、ナノピラーが入射光の偏光を変えずに残したガラススライド上の任意の場所に当てはまります。。そのような領域は、遠いスクリーンの暗いスポットとして投影されます。

ナノピラーが入射白色光の偏光を回転させた場所では、フィルターは一定量の赤、緑、または青の光を通過させました。量は回転角度に依存しました。角度が大きいほど、透過光の強度が大きくなります。このようにして、チームは初めて、色と明るさの両方を制御しました。

NISTの研究者たちは基本的なデザインを実証した後、フェルメール絵画のミニチュアバージョンのデジタルコピーを作成しました。その後、デジタル情報を使用して、数百万のナノピラーのマトリックスの製造をガイドしました。研究者たちは、フェルメールの各絵要素、つまりピクセルの色と輝度を、入射光に対して特定の角度で向けられた1つのナノピラー（赤XNUMXつ、緑XNUMXつ、青XNUMXつ）のグループで表しました。チームがナノピラーを通して白色光を照らして作成したミリメートルサイズの画像を調べたところ、研究者たちは、「真珠の耳飾りの少女」を非常に鮮明に再現し、油絵の具の質感をキャンバスにとらえていることも発見しました。

「微妙な色のグラデーションや影のディテールを取り込んだ再現の品質は、驚くべきものです」とNISTの研究者であり、研究の共著者であるAgrawalは述べています。「この作品は、芸術とナノテクノロジーの分野を非常にエレガントにつなぎます。」

ナノピラーを構築するために、Agrawal氏とその同僚たちはまず、厚さわずか数百ナノメートルの超薄ポリマーの層をガラス上に堆積させました。ミニチュアドリルのような電子ビームを使用して、ポリマーにさまざまな寸法と方向の数百万の小さな穴を多数発掘しました。

次に、原子層堆積と呼ばれる技術を使用して、これらの穴を二酸化チタンで埋め戻しました。最後に、チームは穴の周囲のすべてのポリマーをエッチングで除去し、数百万の二酸化チタンの小さな柱を残しました。各ナノピラーの寸法と方向はそれぞれ、最終的なミリメートルサイズの画像の色相と明るさを表しています。

ナノピラー技術は、特定の色の光を特定の強度で伝送したり、光ファイバーを介して情報を伝達したり、複製が困難な小型の多色識別マークで貴重品を刻印するのに簡単に適応できます。

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