Биологи и исследователи нанотехнологий в Университете Райса в течение многих лет работали над проектом, финансируемым ВМС США, для создания материала, который может визуально адаптироваться к окружающей среде в режиме реального времени. Цель состоит в том, чтобы позволить кораблям, транспортным средствам и, в конечном счете, солдатам становиться невидимыми или почти невидимыми, как некоторые виды кальмаров и других головоногих.
Используя кожу кальмара в качестве модели, ученые разработали гибкий дисплей высокого разрешения с низким энергопотреблением, который может реально имитировать окружающую среду. Новая технология отображения фактически делает отдельные пиксели (крошечные цветные точки, которые составляют изображение на вашем телевизоре и смартфоне) невидимыми для человеческого глаза. Используя алюминиевые наностержни точной длины и расстояния, исследователи обнаружили, что они могут создавать яркие точки разного цвета, которые в 40 раз меньше пикселей, имеющихся в современных телевизорах.
Как это устроено
В исследовании, недавно опубликованном в раннем выпуске «Трудов Национальной академии наук» (PNAS), авторы иллюстрируют, как они использовали технику, называемую электронно-лучевым осаждением, для создания массивов наностержней и пикселей размером в пять микрон - примерно размер споры растения или плесени - которые дают яркие цвета без использования красителей, которые могут со временем исчезнуть. Цвет каждого из этих крошечных пикселей можно точно настроить, варьируя либо расстояния между стержнями в массивах, либо длины отдельных стержней.
Исследователи создали массив наноразмерных пикселей, которые могут быть точно настроены на различные цвета (A). Каждый пиксель состоит из множества крошечных алюминиевых стержней (B), которые, в зависимости от их длины и расположения, дают разные цвета. (Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки) (Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки) Цвет пикселя получается, когда свет попадает на наностержни и рассеивается на определенных длинах волн. Изменяя расположение и длину окружающих наностержней, команда в состоянии точно контролировать, как свет отражается, сужая спектр света и, в действительности, регулируя видимый свет, который испускает каждый пиксель. Пиксели, созданные командой, также являются плазмонными, то есть они становятся более яркими и тусклыми в зависимости от окружающего света, так же, как цвета в витраже. Это может быть полезно при создании дисплеев с низким энергопотреблением в бытовых устройствах, которые также должны быть менее напряженными для глаз.
Поскольку технология основана главным образом на алюминии, который является недорогим и с которым легко работать, дисплеи такого типа не должны быть чрезмерно дорогими или чрезвычайно сложными в изготовлении.
Возможности для совершенствования
Стефан Линк, адъюнкт-профессор химии в Университете Райса и ведущий исследователь исследования PNAS, говорит, что команда не собиралась решать какие-либо фундаментальные проблемы с существующей технологией отображения, а работала над уменьшением пикселей для использования в носимых, материал с низким энергопотреблением, тонкий и чувствительный к окружающему свету.
«Теперь, когда у нас есть эти прекрасные цвета, - говорит он в электронном письме, - мы думаем обо всех способах их улучшения и о том, как мы можем работать над созданием кожи нано-кальмаров, которая является конечной целью этого сотрудничества».
По словам Линка, одним из способов усовершенствования технологии было бы сотрудничество с экспертами в области коммерческой рекламы. Несмотря на то, что технология создания пикселей сильно отличается, команда ожидает, что многие другие компоненты дисплея, такие как жидкие кристаллы, которые определяют частоту обновления дисплея и время отклика пикселей, останутся такими же или похожими на те, которые используются сегодня.
Чтобы создать гибкий дисплей, исследователи могут попытаться построить пиксели в виде шкал, чтобы базовый материал мог изгибаться, но жидкие кристаллы и наноразмер алюминия могут оставаться плоскими. Но чтобы добраться до этого момента, команде может понадобиться помощь.
«Это звучит довольно смешно, но одним из основных препятствий является уменьшение размера жидкокристаллической части наших дисплеев», - пишет Линк. «Вы видите очень крошечные ЖК-экраны все время в технологии, но у нас нет причудливых промышленных машин, способных производить их с такой высокой точностью и воспроизводимостью, поэтому это серьезное препятствие с нашей стороны».
Еще одно потенциальное препятствие заключается в том, чтобы воспроизвести широкий спектр цветов, возможных на современных высококачественных дисплеях. Пока исследователи еще не дошли до этого, Линк, похоже, уверен, что их технология отвечает поставленной задаче.
«Самое замечательное в цвете - это то, что его можно сделать двумя способами», - говорит Линк. «Например, желтый цвет: длина волны света, которая выглядит желтой, составляет 570 нанометров, и мы могли бы создать пиксель с хорошим резким пиком при 570 нм и таким образом дать вам желтый цвет. Или мы можем сделать желтый, поместив красный пиксель и зеленый пиксель рядом друг с другом, как то, что делается на современных дисплеях RGB. Для активного дисплея RGB-микширование - это способ сделать это эффективно, но для постоянных дисплеев у нас есть оба варианта ».
RGB-микширование имеет видимые недостатки в существующих дисплеях, поскольку пиксели часто видны невооруженным глазом. Но с этой технологией вам понадобится микроскоп, чтобы увидеть их и определить, какой метод создания цвета используется.
Применение находки к потребительской технологии
Способность точно создавать и манипулировать крошечными наноразмерными стержнями играет большую роль в прорыве команды. Даже если немного уменьшить длину или расстояние между этими крошечными стержнями, это повлияет на цветопередачу готового дисплея. Таким образом, масштабирование производства до массового производства дисплеев такого типа также может представлять проблему - по крайней мере, на первый взгляд. Однако Линк полон надежд, указывая на две существующие технологии производства, которые можно использовать для создания таких дисплеев: ультрафиолетовую литографию, которая использует высокоэнергетический свет для создания крошечных структур, и наноимпринтную литографию, которая использует штампы и давление (очень похоже на способ цифры на номерном знаке выбиты, но в микроскопическом масштабе).
«Помимо нахождения правильного метода, чтобы мы могли создавать более крупные области, - говорит Линк, - остальная часть производственного процесса на самом деле довольно проста».
Линк не хотел догадываться, когда мы можем увидеть эти пиксели наноразмера, используемые в коммерческих дисплеях и устройствах. На данный момент, он и его коллеги-исследователи все еще сосредоточены на совершенствовании технологии для достижения своей цели - подобного кальмару камуфляжа. Сотрудничество с коммерческими производителями дисплеев может помочь команде приблизиться к этой цели, а также приведет к появлению новых видов дисплеев для потребительских устройств.
Возможно, группе Линка в Райсе следует объединиться с исследователями из Массачусетского технологического института, которые также работают над воспроизведением свойств кожи головоногих. Ученые и инженеры недавно продемонстрировали материал, который может имитировать не только цвет, но и текстуру. Это будет важной особенностью военной цели сделать автомобили невидимыми. Гибкий дисплей может, например, сделать танк издалека похожим на камни или обломки. Но если его стороны все еще будут гладкими и плоскими, он все равно будет выделяться при ближайшем рассмотрении.
