In Rom gibt es einen magischen Kelch: Wenn das Licht von vorne scheint, ist er grün, und wenn das Licht von hinten scheint, ist er rot!

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Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, um aus dem verfügbaren Lichtspektrum kräftigere Farben zu extrahieren, indem sie ungeordnete, von der Natur inspirierte Muster ausnutzen, die normalerweise als schwarz wahrgenommen werden. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Farben, die wir in der Natur sehen, entstehen oft aus Mustern im Nanomaßstab, die das Licht auf bestimmte Weise reflektieren. Beispielsweise können die Flügel eines Schmetterlings blau erscheinen, weil winzige Rillen auf der Flügeloberfläche nur blaues Licht reflektieren.

Wenn eine Oberfläche jedoch schwarz oder weiß erscheint, liegt dies normalerweise daran, dass die Nanostruktur völlig ungeordnet ist, was dazu führt, dass alles Licht entweder absorbiert oder reflektiert wird. Ein Forscherteam unter der Leitung der Universität Birmingham hat nun einen Weg gefunden, die Lichtbewegungen durch diese ungeordneten Oberflächen zu steuern und so leuchtende Farben zu erzeugen. Das Team, zu dem auch Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universität München in Deutschland und der Universität Nanjing in China gehörten, verglich den Ansatz mit Techniken, die Künstler seit Jahrhunderten nutzen.

Eines der berühmtesten Beispiele ist der römische Lykurgbecher aus dem vierten Jahrhundert. Er besteht aus Glas, das grün erscheint, wenn Licht von vorne darauf scheint. Wenn jedoch Licht von hinten scheint, erscheint es rot. Nun hat das Forschungsteam eine Möglichkeit aufgezeigt, diesen Effekt präzise zu steuern und so eine sehr genaue Farbwiedergabe zu erzielen. Die verschiedenen Farben eines Bildes werden auf einer Lithografieplatte mithilfe eines transparenten Materials unterschiedlicher Dicke (z. B. Glas) dargestellt.

Fazit: Die Forscher lagerten ungeordnete Schichten ab, die in diesem Fall aus zufälligen Ansammlungen von Goldnanopartikeln bestanden. Schließlich platzierte das Team unter dieser Schicht einen Spiegel, um einen transparenten Hohlraum zu schaffen, in dem Lichtteilchen oder Photonen eingeschlossen werden können. Photonen verhalten sich innerhalb der Kavität wie Wellen, sie schwingen unter der fotolithografischen Oberfläche mit unterschiedlichen Frequenzen und geben je nach Länge jeder Welle unterschiedliche Farben frei. Durch den Einsatz dieser Technik konnte das Team ein chinesisches Aquarell mit höchster Farbgenauigkeit reproduzieren.

Die verschiedenen Möglichkeiten, mit denen die Natur Farben erzeugt, sind wirklich faszinierend. Wenn es gelingt, diese Möglichkeiten effektiv zu nutzen, könnten wir eine Schatzkammer reicherer und lebendigerer Farben erschließen, als wir sie bisher gesehen haben. In der Physik sind wir es gewohnt, Zufälligkeit bei der Nanofabrikation als etwas Schlechtes zu betrachten. Die Forscher haben jedoch gezeigt, dass Zufälligkeit in bestimmten Anwendungen zu Strukturen führen kann, die geordneten Strukturen überlegen sind. Darüber hinaus ist die Lichtintensität in den erzeugten Zufallsstrukturen sehr stark, was in anderen Bereichen der Physik, beispielsweise in neuen Sensortechnologien, genutzt werden könnte.

Abbildung (dasselbe unten): Ein ungeordnetes System, das basierend auf der Theorie gekoppelter Modi von der Breitbandabsorption zur bandbegrenzten Reflexion/Transmission übergeht.

Ungeordnete biologische Strukturen sind in der Natur allgegenwärtig und erzeugen aufgrund ihrer breitbandigen optischen Reaktion und Robustheit gegenüber Störungen häufig weiße oder schwarze Farben. Durch umsichtiges Design konnten ungeordnete Nanostrukturen in künstlichen Systemen mit einzigartigen Eigenschaften für Lichtlokalisierung, Photonentransport und Energiegewinnung realisiert werden. Andererseits ist die Abstimmbarkeit ungeordneter Systeme mit Breitbandreaktionen kaum erforscht.

Im Rahmen der Forschung gelang eine kontrollierbare Manipulation ungeordneter Plasmasysteme und der Übergang von der Breitbandabsorption zur abstimmbaren Reflexion durch deterministische Steuerung der Kopplung an den externen Hohlraum. Ausgehend von einem verallgemeinerten Modell realisieren wir ungeordnete Systeme aus plasmonischen Nanoclustern, die entweder als Breitbandabsorber fungieren oder rekonfigurierbare Reflexionsbänder im sichtbaren Bereich besitzen. Die Untersuchung ungeordneter plasmonischer Systeme ist nicht nur für das weitere Verständnis der Unordnungsphysik von großer Bedeutung, sondern bietet auch eine neue Plattform für verschiedene praktische Anwendungen, wie etwa die strukturelle Farbmusterung.

Bo Ke Yuan | Forschung/Von: Universität Birmingham

Referenzzeitschrift: Nature Communications

Bo Ke Yuan | Wissenschaft, Technologie, Forschung, Wissenschaft

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