Kemister vid University of California, Riverside har utvecklats små, stavar av järnoxidpartiklar i nanoskala i labbet som svarar på ett externt magnetfält på ett sätt som dramatiskt kan förbättra hur visuell information visas i framtiden.

Tidigare, Yadong Yins labb visade att när ett externt magnetfält appliceras på järnoxidpartiklar i lösning, lösningen ändrar färg som svar på styrkan och orienteringen av magnetfältet. Nu har hans labb lyckats applicera en beläggning av kiseldioxid (kiseldioxid) på järnoxidpartiklarna så att när de kommer samman i lösning, som linjärt sammankopplade sfärer, de bildar så småningom små stavar – eller "nanostavar" – som permanent behåller sin peapod-liknande struktur.

När ett externt magnetfält appliceras på lösningen av nanorods, de riktar sig parallellt med varandra som en uppsättning små ficklampor vridna i en riktning, och visa en lysande färg.

"Vi har i huvudsak utvecklat avstämbara fotoniska material vars egenskaper kan manipuleras genom att ändra sin orientering med yttre fält, " sa Yin, en biträdande professor i kemi. "Dessa nanorods med konfigurerbar intern periodicitet representerar minsta möjliga fotoniska strukturer som effektivt kan diffraktera synligt ljus. Detta arbete banar väg för att tillverka magnetiskt känsliga fotoniska strukturer med avsevärt reducerade dimensioner så att färgmanipulation med högre upplösning kan realiseras."

Tillämpningar av tekniken inkluderar bildande av högupplösta mönster, affischer, bilder, energieffektiva färgskärmar, och enheter som trafiksignaler som rutinmässigt använder en uppsättning färger. Andra tillämpningar är inom bio- och kemisk avkänning samt biomedicinsk märkning och bildbehandling. Färgskärmar som för närvarande inte är lätta att se i solljus – t.ex. en bärbar datorskärm – kommer att ses tydligare och ljusare på enheter som använder nanorod-tekniken eftersom stavarna helt enkelt diffrakterar en färg från det synliga ljuset som faller in på dem.

Studieresultat visas online idag (14 mars) i Angewandte Chemie . Forskningen kommer att belysas på baksidan av ett kommande tryckt nummer.

I labbet, Yin och hans doktorander Yongxing Hu och Le He belade till en början de magnetiska järnoxidmolekylerna med ett tunt lager av kiseldioxid. Sedan applicerade de ett magnetfält för att sätta ihop partiklarna till kedjor. Nästa, de belade kedjorna med ytterligare ett lager av kiseldioxid för att tillåta ett kiseldioxidskal att bildas runt och stabilisera kedjestrukturen.

Enligt forskarna, tidpunkten för exponering av magnetfält är avgörande för framgången för kedjebildningen eftersom det möjliggör finjustering av "interparticle"-avståndet - avståndet mellan två valfria partiklar - inom fotoniska kedjor. De rapporterar att kedjan av magnetiska partiklar måste induceras genom kort exponering för yttre fält under kiseldioxidbeläggningsprocessen så att partiklarna tillfälligt förblir anslutna, vilket tillåter ytterligare kiseldioxidavsättning för att sedan fixera kedjorna till mekaniskt robusta stavar eller trådar.

De rapporterar också i forskningsrapporten att avståndet mellan partiklarna inom kedjorna i ett prov kan finjusteras genom att justera tidpunkten för exponeringen av magnetfältet; längden på de enskilda kedjorna, som inte påverkar färgen som visas, kan styras genom att ändra varaktigheten av magnetfältsexponeringen.

"De fotoniska nanoroderna som vi utvecklade sprids slumpmässigt i lösning i frånvaro av ett magnetfält, men justerar sig och visar diffraktionsfärg direkt när ett externt fält appliceras, " sade Yin. "Det är det periodiska arrangemanget av järnoxidpartiklarna som effektivt diffrakterar synligt ljus och visar lysande färger."

Han förklarade att alla endimensionella fotoniska stavar i ett prov visar en enda färg eftersom partiklarna ordnar sig med enhetlig periodicitet – det vill säga, avståndet mellan partiklar inom alla kedjor är detsamma, oavsett längden på de enskilda kedjorna. Ytterligare, de fotoniska kedjorna förblir separerade från varandra i magnetfält på grund av den magnetiska repulsiva kraften som verkar vinkelrätt mot magnetfältets riktning.

Forskarna konstaterar att ett enkelt och bekvämt sätt att ändra periodiciteten i stavarna är att använda järnoxidkluster av olika storlekar. Detta, de bråkar, skulle göra det möjligt att producera fotoniska stavar med diffraktionsvåglängder över ett brett spektrum av spektrum från nära ultraviolett till nära infrarött.

"En stor fördel med den nya tekniken är att det knappt krävs någon energi för att ändra orienteringen på nanoroderna och uppnå ljusstyrka eller en färg, " sa Yin. "En aktuell nackdel, dock, är att avståndet mellan partiklarna i kedjorna fixeras när kiseldioxidbeläggningen appliceras, tillåter ingen flexibilitet och endast en färg visas."

Hans labb arbetar nu med att uppnå bistabilitet för nanoroderna. Om labbet är framgångsrikt, nanoroderna skulle kunna diffraktera två färger, en i taget.

"Detta skulle tillåta samma enhet eller pixel att visa en färg ett tag och en annan färg senare, " sa Yin, en Cottrell Scholar.