Biologen en nanotechnologie-onderzoekers van Rice University werken al jaren aan een door de US Navy gefinancierd project om een materiaal te maken dat zich visueel in realtime kan aanpassen aan de omgeving. Het doel is om schepen, voertuigen en uiteindelijk soldaten onzichtbaar te maken - of bijna onzichtbaar - net als sommige soorten inktvissen en andere koppotigen.
Met inktvishuid als hun model, ontwikkelden de wetenschappers een flexibel, hoogresolutie, low-power display dat de omgeving realistisch kon nabootsen. De nieuwe weergavetechnologie maakt individuele pixels (de kleine gekleurde puntjes waaruit het beeld op uw televisie en smartphone bestaat) in feite onzichtbaar voor het menselijk oog. Met behulp van aluminium nanostaafjes met precieze lengtes en afstanden, ontdekten de onderzoekers dat ze levendige stippen met verschillende kleuren konden maken die 40 keer kleiner zijn dan de pixels in de tv's van vandaag.
Hoe het werkt
In een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in de vroege editie van de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), illustreren de auteurs hoe ze een techniek genaamd elektronenstraalafzetting gebruikten om arrays van nanostaafjes en vijf-micron-vierkante pixels te maken - ruwweg de grootte van een plant of schimmelspoor - die heldere kleuren produceren zonder het gebruik van kleurstoffen, die na verloop van tijd kunnen vervagen. De kleur van elk van deze kleine pixels kan nauwkeurig worden afgestemd door de afstanden tussen de staven in de arrays of de lengte van afzonderlijke staven te variëren.
Onderzoekers creëerden een reeks pixels op nanoschaal die nauwkeurig kunnen worden afgestemd op verschillende kleuren (A). Elke pixel bestaat uit een reeks kleine aluminium staven (B) die, afhankelijk van hun lengte en opstelling, verschillende kleuren produceren. (Proceedings van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika) (Proceedings van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika) De kleur van de pixel wordt geproduceerd wanneer licht de nanostaven raakt en zich op specifieke golflengten verspreidt. Door de opstelling en lengte van de omringende nanostaafjes te variëren, is het team in staat om precies te regelen hoe het licht rond stuitert, het spectrum van het licht te verkleinen en, in feite, het zichtbare licht aan te passen dat elke pixel afgeeft. De pixels die het team heeft gemaakt, zijn ook plasmonisch, wat betekent dat ze helderder en dimmer worden afhankelijk van het omgevingslicht, net als de kleuren in glas in lood. Dit kan nuttig zijn bij het maken van beeldschermen met een lager vermogen in consumentenapparaten, die ook minder belastend zouden moeten zijn voor de ogen.
Omdat de technologie voornamelijk op aluminium steunt, wat goedkoop en gemakkelijk is om mee te werken, moeten dit soort displays niet onbetaalbaar of buitengewoon moeilijk te produceren zijn.
Ruimte voor verbetering
Stephan Link, universitair hoofddocent scheikunde aan de Rice University en hoofdonderzoeker van het PNAS-onderzoek, zegt dat het team niet van plan was om fundamentele problemen met bestaande displaytechnologie op te lossen, maar naar kleinere pixels te werken voor gebruik in een draagbaar, energiezuinig materiaal dat dun is en reageert op omgevingslicht.
"Nu we deze mooie kleuren hebben, " zegt hij in een e-mail, "denken we aan alle manieren waarop we ze kunnen verbeteren, en hoe we kunnen werken aan de huid van de nano-inktvis die het ultieme doel van deze samenwerking is."
Volgens Link zou een manier om de technologie te verbeteren zijn om samen te werken met experts in de commerciële display-industrie. Hoewel de technologie voor het maken van de pixels heel anders is, verwacht het team dat veel van de andere onderdelen van het scherm, zoals de vloeibare kristallen die de verversingssnelheid en de pixelresponstijd van het scherm bepalen, hetzelfde of vergelijkbaar blijven met die van vandaag.
Om een flexibele weergave te maken, kunnen de onderzoekers proberen de pixels als schalen op te bouwen, zodat het onderliggende materiaal kan buigen, maar de vloeibare kristallen en aluminium nano-array kunnen plat blijven. Maar om dat punt te bereiken, heeft het team misschien hulp nodig.
"Het lijkt een beetje grappig om het te zeggen, maar een belangrijke hindernis is het verkleinen van de grootte van het vloeibare kristalgedeelte van onze displays", schrijft Link. "Je ziet steeds hele kleine LCD-schermen in technologie, maar we hebben niet de luxe industriële machines die zulke hoge precisie en reproduceerbaarheid kunnen maken, dus dat is een grote hindernis van onze kant."
Een ander potentieel obstakel is het repliceren van het brede scala aan kleuren dat mogelijk is in de hoogwaardige displays van vandaag. Hoewel de onderzoekers er nog niet zijn, lijkt Link erop te vertrouwen dat hun technologie de taak aankan.
"Het mooie van kleur is dat er twee manieren zijn om het te maken", zegt Link. “De kleur geel bijvoorbeeld: de golflengte van het licht dat geel lijkt, is 570 nanometer, en we kunnen een pixel maken met een mooie scherpe piek bij 570 nm en je zo geel maken. Of we kunnen geel maken door een rode pixel en een groene pixel naast elkaar te plaatsen, zoals wat wordt gedaan in de huidige RGB-schermen. Voor een actief beeldscherm is RGB-mixen de manier om dit efficiënt te doen, maar voor permanente beeldschermen hebben we beide opties. ”
RGB-mixen heeft zichtbare nadelen in bestaande schermen, omdat de pixels vaak met het blote oog zichtbaar zijn. Maar met deze technologie heb je een microscoop nodig om ze te zien en te onderscheiden welke kleurcreërende methode wordt gebruikt.
Toepassing van de Finding op Consumer Technology
De mogelijkheid om de kleine staafjes op nanoschaal nauwkeurig te maken en te manipuleren, speelt een grote rol in de doorbraak van het team. Als de lengte of afstand van deze kleine staafjes zelfs iets minder wordt, heeft dit invloed op de kleuruitvoer van het voltooide scherm. Dus het opschalen van de productie tot massaproductie van dit soort displays kan ook een probleem vormen - althans in het begin. Link is echter hoopvol en wijst op twee bestaande productietechnologieën die kunnen worden gebruikt om dit soort displays te bouwen: UV-lithografie, die hoogenergielicht gebruikt om kleine structuren te produceren, en nano-opdruklithografie, die stempels en druk gebruikt (net zoals de manier waarop de cijfers op een kentekenplaat zijn in reliëf gemaakt, maar op microscopische schaal).
"Anders dan het vinden van de juiste methode, zodat we grotere gebieden kunnen inrichten, " zegt Link, "is de rest van het productieproces eigenlijk vrij eenvoudig."
Link wilde niet raden wanneer we deze nanoschaalpixels zouden kunnen zien die worden gebruikt in commerciële displays en apparaten. Op dit moment zijn hij en zijn collega-onderzoekers nog steeds gericht op het verfijnen van de technologie in de richting van hun doel van inktvisachtige camouflage. Een samenwerking met commerciële schermmakers kan het team echter dichter bij dat doel brengen, terwijl het ook leidt tot nieuwe soorten schermen voor consumentenapparatuur.
Misschien moet de groep van Link bij Rice samenwerken met onderzoekers van MIT, die ook bezig zijn met het repliceren van de eigenschappen van de huid van de koppotigen. De wetenschappers en ingenieurs daar hebben onlangs een materiaal aangetoond dat niet alleen kleur, maar ook textuur kan nabootsen. Dit zal een belangrijke functie zijn voor het doel van het leger om voertuigen onzichtbaar te maken. Een flexibel display kan bijvoorbeeld een tank van veraf op rotsen of puin laten lijken . Maar als de zijkanten nog steeds glad en plat zijn, valt hij nog steeds op bij nadere inspectie.
