Фотонные стёкла с золотыми наночастицами: получен угол-независимый красный цвет

Исследователи из Университета Бирмингема и Кембриджского университета создали фотонные стёкла, которые демонстрируют структурный цвет, не зависящий от угла наблюдения. В отличие от традиционных структурных цветов, которые меняют оттенок при изменении угла зрения, новые материалы сохраняют насыщеннос

Фотонные стёкла: как работает угол-независимый цвет

Фотонные стёкла — это неупорядоченные структуры из наночастиц, которые взаимодействуют со светом, создавая цвет за счёт рассеяния, а не пигментов. Ключевая особенность — использование золотых наночастиц, которые поглощают синий свет и усиливают рассеяние в красной области спектра. Это позволяет получить яркий красный цвет, который не меняется при наклоне материала. Учёные синтезировали частицы оксида кремния и золота, которые самоорганизуются в стеклоподобную структуру, обеспечивая равномерный цвет под любым углом.

Предыстория и контекст

Структурные цвета — например, крылья бабочек или опалы — привлекают исследователей из-за устойчивости к выцветанию и возможности создавать яркие оттенки без токсичных красителей. Однако традиционные структурные цвета (фотонные кристаллы) дают радужный эффект, меняя цвет в зависимости от угла, что ограничивает их применение. Фотонные стёкла, напротив, используют беспорядок для создания изотропного цвета. Ранее учёным удавалось получить синие, зелёные и жёлтые тона, но красный оставался проблемой из-за сложностей с рассеянием длинноволнового света. Новое исследование решает эту задачу, добавляя золотые наночастицы, которые резонансно поглощают синий свет и усиливают красный.

Как золотые наночастицы помогают получить красный цвет?

Золотые наночастицы диаметром около 20 нанометров проявляют плазмонный резонанс — они сильно поглощают свет в синей области спектра (около 520 нм). Это подавляет синюю составляющую рассеянного света, делая преобладающим красный. Кроме того, частицы действуют как резонаторы, усиливая рассеяние на длинах волн красного диапазона. В результате фотонное стекло отражает преимущественно красный свет, причём интенсивность и оттенок не зависят от угла падения света.

Технические подробности: структура и синтез

Материал состоит из сферических частиц диоксида кремния диаметром около 200 нм, покрытых тонким слоем золота. Частицы смешиваются с золотыми наночастицами и наносятся на подложку, где они самоорганизуются в неупорядоченную стеклоподобную структуру. Расстояние между частицами и их размеры подобраны так, чтобы обеспечить когерентное рассеяние в красной области. Авторы получили образцы с коэффициентом отражения до 40% в красном диапазоне при угле падения от 0 до 60 градусов, что значительно выше, чем у предыдущих структурных цветов.

Кого затронет и как

Новая технология может найти применение в производстве красок и покрытий, которые не выцветают и не меняют цвет при наклоне, что важно для автомобильной и авиационной промышленности. В дисплеях такие материалы позволят создать равномерную цветопередачу под любым углом обзора. Также возможно использование в защитных голограммах и элементах дизайна. Для России и стран СНГ технология интересна в контексте импортозамещения пигментов и развития нанотехнологий.

Что будет дальше

Исследователи планируют масштабировать синтез и улучшить яркость красного цвета. Также они работают над получением других оттенков — оранжевого и жёлтого — с помощью настройки размера и состава наночастиц. Возможно создание многослойных структур для получения белого и чёрного цветов. Коммерциализация технологии может занять несколько лет, но первые прототипы уже демонстрируют стабильность.

Итог

Фотонные стёкла с золотыми наночастицами открывают путь к созданию угол-независимых структурных цветов, включая красный. Это прорыв в области оптических материалов, который может привести к появлению новых типов красок, дисплеев и защитных покрытий, устойчивых к выцветанию и не зависящих от угла обзора.