Forskare har skapat nya 2D nanostrukturerade ytor som framstår som realistiska 3D-objekt – inklusive skuggning och skuggor – med hjälp av banbrytande nanoteknik.

Forskningen utfördes av King's College London tillsammans med Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, och publiceras i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

När ljus träffar ett föremål, färgen, textur, och form påverkar hur ljus absorberas och reflekteras, så att du kan urskilja föremålet framför dig. Genom att ändra ytan för att ändra hur ljuset reflekteras, det är möjligt att manipulera hur det ser ut.

Forskarna utvecklade skiktade material, som innehåller exakt designade nanofunktioner som är mindre än ljusets våglängd, kallas metasytor. Detta gjorde det möjligt för dem att kontrollera hur ljus reflekteras på mycket exakta sätt, så att en 2D-yta reflekterar ljus precis som ett 3D-objekt skulle göra.

Att låna en teknik från 3D-datorgrafik som kallas Normal Mapping, forskare kodade in skuggeffekter i bilden, skapa 3D-bilder mer realistiska än hologram eller 3D-bio. Som ett bevis på konceptet, forskarna tillverkade en platt metayta som imiterade ljus- och skuggeffekter av en 3D-kub.

Att förändra hur vi ser ljus

Tekniken kan ha enorma konsekvenser för den optiska industrin, inklusive i TV-skärmar och fotografi, samt i säkerhetsetiketter för att skydda varor och sedlar från förfalskning.

Professor Anatoly Zayats från King's College säger:"Metasytor är fantastiska. De öppnar upp för oöverträffad frihet när det gäller att rikta och manipulera ljus. Man kan i slutändan föreställa sig en TV-skärm som ser ut exakt likadant när man rör sig runt den, eller en ny rörelse av 3D-konst."

Möjligheten att styra ljus kan ge nya funktioner till små kameralinser. En plan yta kan fås att se optiskt konvex ut genom att utforma lämpliga metasytegenskaper. Framtida generationer av smarttelefonkameror kan använda de små platta metasytorna som efterliknar egenskaperna hos sofistikerade böjda kameralinser, ger mycket större kontroll över vinkel och djupfält.

Metasytor kan också ersätta tunga optiska linser i applikationer som satelliter, där vikt och storlek har stor inverkan på effektiviteten.

Mer omedelbart, de nya nanomaterialen kan redan användas för att skapa unika komplexa 3D-bilder för säkerhets- och anti-förfalskningstillämpningar, såväl som för nya mätapplikationer som kräver exakt kontroll av ljus.

Mycket mer än ett hologram

Till skillnad från hologram, som kräver en koherent ljuskälla såsom en laser för att ses, dessa ytor manipulerar reflektionen av normalt ljus så att de framstår som ett realistiskt 3D-objekt i alla ljusförhållanden och från vilken vinkel som helst.

Befintliga holografiska tillvägagångssätt förlitar sig på "spekulär reflektion", dvs ljuset som kommer från en viss riktning reflekteras i en unik utgående riktning, som med en spegel. För att uppnå dynamiska ljusskuggningseffekter, en metasytdesign involverar "diffusreflektion" – vilket tillåter kontroll av dess spridningsegenskaper så att bilden kan ses direkt på den.

Som bevis på konceptet, forskarna designade en kub med den normala kartläggningstekniken, som kodades in i metaytan. När den är upplyst, metaytan "beräknar" omedelbart hur en 3D-representation av bilden ska se ut och visar den.

Dr Alexander Minovich, Royal Society Newton International Fellow vid King's College London, sa:"Den normala kartläggningen som visas med vår metasyta är ett helt nytt koncept, men det kan ha mycket viktiga konsekvenser för ett brett spektrum av optiska industrier, både för att introducera ny funktionalitet och göra produkter mindre och lättare. "