Kolor skrzydeł niektórych motyli, piór ptaków czy pancerzy chrząszczy nie pochodzi z barwnika. Tworzą go mikroskopijne struktury, które odbijają wybrane długości fal światła. Gdy zmienia się geometria takiej struktury, zmienia się również widziana przez nas barwa.

Naukowcy próbują wykorzystać tę zasadę do projektowania materiałów optycznych. Jednym z najbardziej obiecujących materiałów pod tym kątem są ciekłe kryształy. Zachowują się one jak ciecz, lecz ich cząsteczki pozostają uporządkowane jak w krysztale. Od dziesięcioleci wykorzystuje się je w wyświetlaczach, jednak ich szczególna odmiana, nazywana fazą błękitną, daje znacznie większe możliwości. Jej cząsteczki samoczynnie tworzą trójwymiarową sieć, której elementy mają rozmiary setek nanometrów. Taka struktura selektywnie odbija światło z określonego zakresu długości fal, a więc o określonej barwie. Fizycy nazywają ją kryształem fotonicznym – odpowiednikiem półprzewodnika dla światła. Przerwa energetyczna w półprzewodniku pomaga kontrolować przepływ elektronów, a przerwa fotoniczna decyduje, które fotony przejdą przez materiał, a które zostaną odbite.

Problemem nie jest samo uzyskanie koloru, lecz trwałe i precyzyjne sterowanie nim. Barwę fazy błękitnej można zmieniać za pomocą temperatury, pola elektrycznego lub naprężenia, ale część metod daje niewielką zmianę, inne przestawiają całą sieć albo zapewniają jedynie krótkotrwały efekt. Sama faza błękitna pozostaje ponadto stabilna w małym zakresie temperatur. Bez tego trudno wykorzystać ją w masowo produkowanych urządzeniach.

– Umiejętność trwałego sterowania taką strukturą mogłaby otworzyć drogę do nowej generacji układów fotonicznych – wyjaśnia Kamil Orzechowski z Politechniki Warszawskiej, główny autor publikacji w czasopiśmie naukowym „ACS Nano”, gdzie opisano wyniki badań. W takich układach informację mogłyby przenosić fotony zamiast elektronów.

Punktem wyjścia były dwa znane efekty: nanocząstki mogą zmieniać geometrię fazy błękitnej i poprawiać jej stabilność termiczną, a warstwy otaczające próbkę wpływają na uporządkowanie ciekłego kryształu przy powierzchni. Badacze połączyli oba rozwiązania.

Pierwszy mechanizm działał od wewnątrz. Do ciekłego kryształu wprowadzono złote nanocząstki o średnicy niewiele ponad dwóch nanometrów. Pokryto je cząsteczkami przypominającymi budową ciekły kryształ, dzięki czemu mogły równomiernie rozproszyć się w materiale.

Drugi mechanizm działał od zewnątrz: próbkę otoczono jedną z czterech cienkich warstw orientujących, oddziałujących z ciekłym kryształem z różną siłą.

Naukowcy przygotowali 12 kombinacji warstw i stężeń nanocząstek. Oba mechanizmy zmniejszały rozmiar komórki sieci, przesuwając odbijaną barwę w stronę krótszych fal, ale nie zmieniały jej sześciennej symetrii ani orientacji. Ich współdziałanie pozwoliło regulować odbicie w zakresie około 200 nanometrów oraz dostrajać je w krokach mniejszych niż 10 nanometrów. Najlepsza konfiguracja poszerzyła zakres stabilności termicznej fazy błękitnej z 5,5 do 18,4 stopnia Celsjusza.

Koncepcję badań opracował Kamil Orzechowski z Politechniki Warszawskiej, a Wiktor Lewandowski z Uniwersytetu Warszawskiego odpowiadał za projekt nanocząstek. W badaniach uczestniczyli również naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej, Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu, Uniwersytetu Śląskiego oraz tajwańskiego National Sun Yat-sen University.

Precyzyjnie programowane ciekłe kryształy mogłyby w przyszłości trafić do wyświetlaczy, filtrów optycznych i czujników reagujących zmianą barwy na temperaturę, naprężenie lub określone substancje. Mogłyby też zabezpieczać dokumenty i produkty przed podrabianiem albo stać się elementem inteligentnych okien. Aby myśleć o wdrożeniach przemysłowych, badacze muszą jeszcze poprawić jednorodność materiału i opracować sposób jego wytwarzania na większą skalę. Wynik pokazuje jednak, że światłem można lepiej sterować, projektując struktury mniejsze niż długość jego fali. (PAP)

kmp/ agt/