Råntunn, reptåliga filmer kan generera en regnbåge av färger med hjälp av slumpmässiga metalliska nanostrukturer.

De bländande färgerna på påfågelfjädrar uppstår från den fysiska interaktionen mellan ljus och biologiska nanostrukturer. Forskare har upptäckt hur man kan utnyttja detta naturliga knep, känt som strukturell färgning, till en storskalig tryckteknik som producerar lätta och ultrabeständiga beläggningar i vilken färg som helst.

Forskare producerar rutinmässigt fotoniska strukturer för att påverka ljusets beteende för applikationer som fiberoptisk kommunikation. Många grupper har använt fotonisk teknik för att generera nya former av artificiella strukturella färger som drar fördel av hela spektrat av synligt ljus.

Att flytta denna teknik från labbet är utmanande, dock, eftersom fotoniska nanostrukturer ofta är ömtåliga och svåra att producera i praktiska mängder.

Andrea Fratalocchi från universitetets elektroteknikprogram och kollegor från Harvard University och ETH Zürich använde våtkemiska tekniker för att övervinna svårigheterna med att skala upp fotoniska färger. Inspirerad av de nanoporösa fjädrarna hos den plommonstrupiga cotinga-fågeln, teamets tillvägagångssätt började med att sputtera en platina-aluminiumbaserad legering på en målyta. Sedan, en process som kallas avlegering löser upp det mesta av aluminiumet och får den återstående metallen att omorganiseras till ett ojämnt nätverk med öppna nanoporer.

Nästa, forskarna deponerade ett ultratunt lager av skyddande safir på metallnätverket för att både skydda ytan och modifiera det sätt på vilket ljus interagerar med de fotoniska nanoporerna. Förvånande, Små förändringar av safirtjockleken från 7 till 53 nanometer gav anmärkningsvärda färgförändringar - den initialt genomskinliga filmen genomgick stegvisa övergångar till gult, orange, röda och blå toner.

"Att kontrollera dessa färger är experimentellt mycket enkelt och använder beläggningstekniker som är billiga och lätta att implementera, sade Fratalocchi. "Men, Att förstå hur de komplexa ljus-materia-interaktionerna genererar färger tog månader av arbete."

Teamets simuleringar på hög nivå fastställde att färggenerering börjar när ljus träffar metallen och genererar vågliknande enheter som kallas ytplasmoner. När plasmonerna interagerar med de slumpmässigt fördelade porerna, de blir fångade och moduleringar i beläggningens brytningsindex producerade epsilon-nära-noll-regioner i nanoporerna där vågorna fortplantar sig extremt långsamt. Att lägga till safirfilmen orsakade ytterligare reflektioner av de fångade vågorna, vilket skapade ett flöde av mättad färg genom resonanseffekter.

Fratalocchi noterade att hur färger bildas i denna struktur kan öppna vägen för "programmerbara" nanomaterial för många applikationer.

"Föreställ dig en repa på en bil som kan målas om med ett extremt tunt material utan andra dyra procedurer, eller som en lättviktare, underhållsfritt sätt att belägga flygplan, ", sade han. "Den här tekniken kan bli en riktig revolution."