Forskare testade en ny teknik för utskrift och avbildning i både färg och infrarött med denna bild av en papegoja. Inlägget visar hur ett enkelt RGB-färgschema skapades genom att bygga rektanglar med olika längder för var och en av färgerna, samt individuella nanokuber ovanpå en guldfilm som skapar det plasmoniska elementet. Kredit:imageBROKER / Alamy Stock Photo
Duke University-forskare tror att de har övervunnit ett långvarigt hinder för att producera billigare, mer robusta sätt att skriva ut och avbilda över en rad färger som sträcker sig in i det infraröda.
Som vilken mantisräka som helst kommer att berätta, det finns ett brett utbud av "färger" längs det elektromagnetiska spektrumet som människor inte kan se men som ger en mängd information. Sensorer som sträcker sig in i den infraröda burken, till exempel, identifiera tusentals växter och mineraler, diagnostisera cancerösa melanom och förutsäga vädermönster, helt enkelt genom det ljusspektrum de reflekterar.
Nuvarande bildteknik som kan detektera infraröda våglängder är dyra och skrymmande, kräver många filter eller komplexa sammansättningar framför en infraröd fotodetektor. Behovet av mekanisk rörelse i sådana anordningar minskar deras förväntade livslängd och kan vara ett ansvar under svåra förhållanden, som de som upplevs av satelliter.
I en ny tidning, ett team av Duke-ingenjörer avslöjar en tillverkningsteknik som lovar att ta en förenklad form av multispektral avbildning till daglig användning. Eftersom processen använder befintliga material och tillverkningstekniker som är billiga och lätta skalbara, det kan revolutionera alla branscher där multispektral bildbehandling eller utskrift används.
Resultaten visas online den 14 december i tidskriften Avancerade material .
"Det är utmanande att skapa sensorer som kan detektera både det synliga spektrumet och det infraröda, sa Maiken Mikkelsen, Nortel Networks biträdande professor i elektro- och datateknik och fysik vid Duke.
"Traditionellt behöver man olika material som absorberar olika våglängder, och det blir väldigt dyrt, "Mikkelsen sa. "Men med vår teknik, Detektorernas svar baseras på strukturella egenskaper som vi designar snarare än ett materials naturliga egenskaper. Det som är riktigt spännande är att vi kan para ihop detta med ett fotodetektorschema för att kombinera bildåtergivning i både det synliga spektrumet och det infraröda på ett enda chip."
Den nya tekniken förlitar sig på plasmonik - användningen av fysiska fenomen i nanoskala för att fånga vissa ljusfrekvenser.
En närbild av den färgglada papegojbilden tryckt på en tunn guldrån med den nya nanokubbaserade tekniken. Färgerna syns av på grund av det underliggande guldet, samt de svårigheter som typiska kameror har att avbilda den nya tekniken. Kredit:Maiken Mikkelsen, Duke University
Ingenjörer skapar silverkuber som är bara 100 nanometer breda och placerar dem bara några nanometer ovanför en tunn guldfolie. När inkommande ljus träffar ytan på en nanokub, det exciterar silvers elektroner, fångar ljusets energi – men bara vid en viss frekvens.
Storleken på nanokuberna i silver och deras avstånd från grundskiktet av guld bestämmer den frekvensen, samtidigt som man kontrollerar avståndet mellan nanopartiklarna gör det möjligt att justera styrkan på absorptionen. Genom att exakt skräddarsy dessa avstånd, forskare kan få systemet att svara på vilken specifik färg de vill, hela vägen från synliga våglängder ut till det infraröda.
Utmaningen som ingenjörerna står inför är hur man bygger en användbar enhet som kan vara skalbar och billig nog att använda i den verkliga världen. För det, Mikkelsen vände sig till sitt forskarteam, inklusive doktoranden Jon Stewart.
"Liknande typer av material har visats tidigare, men de har alla använt dyra tekniker som har hindrat tekniken från att övergå till marknaden, " sa Stewart. "Vi har kommit fram till ett tillverkningsschema som är skalbart, behöver inte ett rent rum och undviker att använda maskiner för miljoner dollar, allt samtidigt som man uppnår högre frekvenskänsligheter. Det har gjort det möjligt för oss att göra saker på fältet som inte har gjorts tidigare."
För att bygga en detektor, Mikkelsen och Stewart använde en process av ljusetsning och lim för att mönstra nanokuberna till pixlar som innehåller olika storlekar av silvernanokuber, och därmed var och en känslig för en specifik ljusvåglängd. När inkommande ljus träffar arrayen, varje område reagerar olika beroende på ljusets våglängd det är känsligt för. Genom att reta ut hur varje del av arrayen svarar, en dator kan rekonstruera vilken färg det ursprungliga ljuset var.
Tekniken kan också användas för utskrift, laget visade. Istället för att skapa pixlar med sex sektioner inställda för att svara på specifika färger, de skapade pixlar med tre staplar som reflekterar tre färger:blå, grönt och rött. Genom att kontrollera de relativa längderna för varje stapel, de kan diktera vilken kombination av färger som pixeln reflekterar. Det är en ny version av det klassiska RGB-schemat som användes för första gången i fotografi 1861.
Men till skillnad från de flesta andra applikationer, det plasmoniska färgschemat lovar att aldrig blekna med tiden och kan på ett tillförlitligt sätt återges med snäv noggrannhet gång på gång. Det tillåter också sina användare att skapa färgscheman i det infraröda.
"På nytt, den spännande delen är att kunna skriva ut i både synligt och infrarött på samma substrat, ", sa Mikkelsen. "Du skulle kunna tänka dig att skriva ut en bild med en dold del i det infraröda, eller till och med täcka ett helt objekt för att skräddarsy dess spektrala respons."
