Фотонные стёкла с золотыми наночастицами: стабильный красный цвет без угловой зависимости

Физики из Университета Британской Колумбии (Канада) и Университета Аалто (Финляндия) создали новый тип фотонного стекла, который воспроизводит структурный цвет, включая красный, без изменения оттенка при изменении угла обзора. Это открытие решает давнюю проблему угловой зависимости и открывает путь

Как работает фотонное стекло с золотыми наночастицами

Структурный цвет возникает не за счёт пигментов, а благодаря микро- и наноструктурам, которые отражают свет определённых длин волн. Примеры из природы — крылья бабочек и раковины жуков. Однако искусственные структурные цвета часто страдают от угловой зависимости: при наклоне объекта оттенок меняется, что ограничивает их применение. Кроме того, получение яркого красного цвета традиционно было сложной задачей из-за физических ограничений.

Команда под руководством профессора Валери Милановой (Valerie Milanova) решила эту проблему, добавив в фотонное стекло золотые наночастицы. Эти частицы поглощают синий свет, что позволяет системе отражать красный. В эксперименте исследователи создали стекло из кремнезёма с внедрёнными наночастицами золота диаметром около 20 нанометров. В результате материал демонстрировал насыщенный красный цвет, который не менялся при углах обзора до 60 градусов.

Почему красный цвет так важен для структурной окраски?

Красный — один из основных цветов в цветовой модели RGB, используемой в дисплеях и печати. Без него невозможно получить полную цветовую гамму. В природе красный структурный цвет встречается редко, а искусственные аналоги либо тускнеют, либо меняют оттенок при изменении угла. Новый подход позволяет создавать яркие, устойчивые к выцветанию красные тона, что критично для производства красок, текстиля и экранов.

Как золотые наночастицы решают проблему угловой зависимости?

Фотонное стекло состоит из сферических частиц кремнезёма диаметром около 200 нанометров, упакованных в случайную структуру. Золотые наночастицы размером 20 нм равномерно распределены в матрице. Когда свет падает на материал, он рассеивается на частицах кремнезёма, создавая структурный цвет. Золотые наночастицы поглощают синий свет за счёт локализованного поверхностного плазмонного резонанса, что предотвращает его рассеяние и позволяет красному доминировать. Измерения показали, что пик отражения приходится на длину волны около 650 нанометров, а угловая зависимость цвета составляет менее 10 нанометров при изменении угла от 0 до 60 градусов.

Предыстория и контекст

Фотонные стёкла — это аморфные структуры, в которых периодичность расположения частиц нарушена, что обеспечивает изотропные оптические свойства. Ранее учёные получали синие, зелёные и жёлтые цвета, но красный оставался недостижимым из-за сильного рассеяния света на длинных волнах. Золотые наночастицы, известные своим плазмонным резонансом, позволили избирательно поглощать синюю часть спектра, подавляя нежелательное рассеяние и усиливая красный.

Кого затронет и как

Разработка может найти применение в производстве красок и покрытий, которые не выцветают со временем, так как структурный цвет не зависит от химических пигментов. В дисплеях технология позволит создавать экраны с широкими углами обзора без искажения цвета. Также возможны применения в оптоэлектронике, например, в светофильтрах и сенсорах. Для российского рынка это может означать появление новых материалов для автомобильной промышленности и строительства, где важна стойкость окраски.

Что будет дальше

Исследователи планируют масштабировать метод для промышленного производства и расширить цветовую палитру, комбинируя разные типы наночастиц. Ожидается, что в течение двух лет появятся первые коммерческие образцы покрытий на основе фотонных стёкол. Также ведутся работы по интеграции технологии в гибкие подложки для носимой электроники.

Итог

Фотонные стёкла с золотыми наночастицами решают давнюю проблему угловой зависимости структурного цвета и открывают путь к созданию ярких, невыцветающих красных оттенков. Это достижение не только расширяет фундаментальные знания в области фотоники, но и обещает практические инновации в материаловедении и потребительской электронике.