Plasmonisk utskrift ger upplösningar som är flera gånger större än konventionella tryckmetoder. Vid plasmonisk tryckning, färger bildas på ytorna av små metallpartiklar när ljus exciterar deras elektroner att svänga. Forskare vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart har nu visat hur färgerna på sådana metallpartiklar kan ändras med väte. Tekniken kan öppna vägen för att animera bilder med ultrahög upplösning och för att utveckla extremt skarpa skärmar. På samma gång, det ger nya metoder för att kryptera information och upptäcka förfalskningar.

Glashantverkare under medeltiden utnyttjade effekten långt innan den ens var känd. De färgade de magnifika fönstren i gotiska katedraler med nanopartiklar av guld, som lyser rött i ljuset. Det var inte förrän i mitten av 1900-talet som det underliggande fysiska fenomenet fick ett namn:plasmoner. Dessa kollektiva oscillationer av fria elektroner stimuleras av absorptionen av infallande elektromagnetisk strålning. Ju mindre metallpartiklar, desto kortare är den absorberade strålningens våglängd. I vissa fall, resonansfrekvensen, dvs. absorptionsmaximum, faller inom det synliga ljusspektrumet. Den oabsorberade delen av spektrumet sprids eller reflekteras sedan, skapa ett intryck av färg. De metalliska partiklarna, som vanligtvis ser silverfärgade ut, kopparfärgad eller gyllene, ta sedan helt nya färger.

En upplösning på 100, 000 punkter per tum

Forskare utnyttjar också effekten för att utveckla plasmonisk utskrift, där skräddarsydda kvadratiska metallpartiklar är anordnade i specifika mönster på ett substrat. Kantlängden på partiklarna är i storleksordningen mindre än 100 nanometer (100 miljarddelar av en meter). Detta tillåter en upplösning på 100, 000 punkter per tum – flera gånger större än vad dagens skrivare och bildskärmar kan åstadkomma.

För metalliska partiklar som mäter flera 100 nanometer i diameter, resonansfrekvensen för plasmonerna ligger inom det synliga ljusspektrumet. När vitt ljus faller på sådana partiklar, de visas i en viss färg, till exempel röd eller blå. Färgen på metallen i fråga bestäms av storleken på partiklarna och deras avstånd från varandra. Dessa justeringsparametrar tjänar därför samma syfte vid plasmonisk utskrift som färgpaletten i målning.

Tricket med den kemiska reaktionen

Smart Nanoplasmonics Research Group vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart använder sig också av denna färgvariation. De arbetar just nu med att göra dynamiskt plasmoniskt tryck. De har nu presenterat ett tillvägagångssätt som gör att de kan ändra färgerna på pixlarna förutsägbart - även efter att en bild har skrivits ut. "Knepet är att använda magnesium. Det kan genomgå en reversibel kemisk reaktion där grundämnets metalliska karaktär går förlorad, " förklarar Laura Na Liu, som leder forskargruppen i Stuttgart. "Magnesium kan absorbera upp till 7,6 viktprocent väte för att bilda magnesiumhydrid, eller MgH2", Liu fortsätter. Forskarna belägger magnesiumet med palladium, som fungerar som en katalysator i reaktionen.

Under den kontinuerliga övergången av metalliskt magnesium till icke-metalliskt MgH2, färgen på några av pixlarna ändras flera gånger. Färgförändringen och hastigheten med vilken den fortsätter följer ett tydligt mönster. Detta bestäms både av storleken på och avståndet mellan de enskilda magnesiumpartiklarna samt av mängden väte som finns.

När det gäller total vätemättnad, färgen försvinner helt, och pixlarna reflekterar allt vitt ljus som faller på dem. Detta beror på att magnesiumet inte längre finns i metallform utan bara som MgH2. Därav, det finns heller inga fria metallelektroner som kan få oscillerande.

Minervas försvinnande handling

Forskarna visade effekten av ett sådant dynamiskt färgbeteende på ett plasmoniskt tryck av Minerva, den romerska visdomens gudinna, som också bar Max Planck Societys logotyp. De valde storleken på sina magnesiumpartiklar så att Minervas hår först verkade rödaktigt, huvudskyddet gult, fjäderkammen röd och lagerkransen och konturerna av hennes ansikte blå. De tvättade sedan mikrotrycket med väte. En time-lapse-film visar hur de enskilda färgerna förändras. Gult blir rött, röd blir blå, och blå blir vit. Efter några minuter försvinner alla färger, avslöjar en vit yta istället för Minerva.

Forskarna visade också att denna process är reversibel genom att ersätta väteströmmen med en ström av syre. Syret reagerar med vätet i magnesiumhydriden och bildar vatten, så att magnesiumpartiklarna blir metalliska igen. Pixlarna ändras sedan i omvänd ordning, och till slut dyker Minerva upp i sina ursprungliga färger.

På liknande sätt fick forskarna först mikrobilden av en berömd Van Gogh -målning att försvinna och sedan dyka upp igen. De producerade också komplexa animationer som ger intryck av fyrverkerier.

Principen för en ny krypteringsteknik

Laura Na Liu kan tänka sig att använda denna princip i en ny krypteringsteknik. För att visa detta, gruppen bildade olika bokstäver med magnesiumpixlar. Tillsatsen av väte fick sedan några bokstäver att försvinna med tiden, som bilden av Minerva. "När det gäller resten av breven, ett tunt oxidskikt bildat på magnesiumpartiklarna efter att provet exponerats i luft under en kort tid innan palladiumavsättning, " förklarar Liu. Detta skikt är ogenomträngligt för väte. Magnesiumet som ligger under oxidskiktet förblir därför metalliskt - och synligt - eftersom ljus kan excitera plasmonerna i magnesiumet.

På så sätt är det möjligt att dölja ett budskap, till exempel genom att blanda verklig och meningslös information. Endast den avsedda mottagaren kan få den meningslösa informationen att försvinna och filtrera bort det verkliga budskapet. Till exempel, efter att ha avkodat meddelandet "Hartford" med väte, bara orden "konst eller" skulle förbli synliga. För att göra det svårare att knäcka sådana krypterade meddelanden, gruppen arbetar för närvarande med en process som skulle kräva en exakt justerad vätekoncentration för att dechiffrera.

Liu tror att tekniken också skulle kunna användas någon dag i kampen mot förfalskning. "Till exempel, plasmoniska säkerhetsdetaljer kan tryckas på sedlar eller läkemedelsförpackningar, som senare kunde kontrolleras eller endast läsas under specifika förhållanden okända för förfalskare."

Det behöver inte nödvändigtvis vara väte

Laura Na Liu vet att användningen av vätgas gör vissa applikationer svåra och opraktiska för dagligt bruk som i mobila skärmar. "Vi ser vårt arbete som ett startskott för en ny princip:användning av kemiska reaktioner för dynamiskt tryck, " säger Stuttgart-fysikern. Det är säkert tänkbart att forskningen snart kommer att leda till upptäckten av kemiska reaktioner för andra färgförändringar än fasövergången mellan magnesium och magnesiumdihydrid, till exempel, reaktioner som inte kräver några gasformiga reaktanter.