A impressão plasmônica produz resoluções várias vezes maiores do que os métodos de impressão convencionais. Na impressão plasmônica, as cores são formadas nas superfícies de minúsculas partículas metálicas quando a luz excita seus elétrons para oscilar. Pesquisadores do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart agora mostraram como as cores dessas partículas metálicas podem ser alteradas com hidrogênio. A técnica pode abrir caminho para a animação de imagens de resolução ultra-alta e para o desenvolvimento de telas extremamente nítidas. Ao mesmo tempo, ele fornece novas abordagens para criptografar informações e detectar falsificações.

Os artesãos de vidro da época medieval exploraram o efeito muito antes de ele ser conhecido. Eles coloriram as magníficas janelas das catedrais góticas com nanopartículas de ouro, que brilhava em vermelho na luz. Foi só em meados do século 20 que o fenômeno físico subjacente recebeu um nome:plasmons. Essas oscilações coletivas de elétrons livres são estimuladas pela absorção da radiação eletromagnética incidente. Quanto menores forem as partículas metálicas, quanto menor o comprimento de onda da radiação absorvida. Em alguns casos, a frequência de ressonância, ou seja, o máximo de absorção, cai dentro do espectro de luz visível. A parte não absorvida do espectro é então espalhada ou refletida, criando uma impressão de cor. As partículas metálicas, que geralmente aparecem prateados, cor de cobre ou dourado, em seguida, adquira cores inteiramente novas.

Uma resolução de 100, 000 pontos por polegada

Os pesquisadores também estão aproveitando o efeito para desenvolver a impressão plasmônica, em que partículas de metal quadradas feitas sob medida são dispostas em padrões específicos em um substrato. O comprimento da borda das partículas é da ordem de menos de 100 nanômetros (100 bilionésimos de metro). Isso permite uma resolução de 100, 000 pontos por polegada - várias vezes maior do que as impressoras e monitores de hoje em dia.

Para partículas metálicas medindo vários 100 nanômetros de diâmetro, a frequência de ressonância dos plasmons está dentro do espectro de luz visível. Quando a luz branca incide sobre tais partículas, eles aparecem em uma cor específica, por exemplo vermelho ou azul. A cor do metal em questão é determinada pelo tamanho das partículas e pela distância entre elas. Esses parâmetros de ajuste, portanto, têm o mesmo propósito na impressão plasmônica que a paleta de cores na pintura.

O truque com a reação química

O Smart Nanoplasmonics Research Group do Max Planck Institute for Intelligent Systems em Stuttgart também faz uso dessa variabilidade de cor. Atualmente, eles estão trabalhando na criação de impressão plasmônica dinâmica. Eles agora apresentam uma abordagem que lhes permite alterar as cores dos pixels de forma previsível - mesmo depois que uma imagem foi impressa. “O truque é usar o magnésio. Pode sofrer uma reação química reversível em que se perde o caráter metálico do elemento, "explica Laura Na Liu, que lidera o grupo de pesquisa de Stuttgart. "O magnésio pode absorver até 7,6% de hidrogênio em peso para formar hidreto de magnésio, ou MgH2 ", Liu continua. Os pesquisadores revestem o magnésio com paládio, que atua como um catalisador na reação.

Durante a transição contínua de magnésio metálico em MgH2 não metálico, a cor de alguns pixels muda várias vezes. A mudança de cor e a velocidade com que ocorre seguem um padrão claro. Isso é determinado pelo tamanho e pela distância entre as partículas individuais de magnésio, bem como pela quantidade de hidrogênio presente.

No caso de saturação total de hidrogênio, a cor desaparece completamente, e os pixels refletem toda a luz branca que incide sobre eles. Isso ocorre porque o magnésio não está mais presente na forma metálica, mas apenas como MgH2. Portanto, também não há elétrons de metal livres que possam oscilar.

Ato de desaparecimento de Minerva

Os cientistas demonstraram o efeito desse comportamento dinâmico de cor em uma impressão plasmônica de Minerva, a deusa romana da sabedoria, que também trazia o logotipo da Sociedade Max Planck. Eles escolheram o tamanho de suas partículas de magnésio para que o cabelo de Minerva parecesse avermelhado pela primeira vez, a cabeça cobrindo o amarelo, a crista da pena vermelha e a coroa de louros e o contorno de seu rosto azuis. Em seguida, lavaram a microimpressão com hidrogênio. Um filme de lapso de tempo mostra como as cores individuais mudam. Amarelo fica vermelho, vermelho fica azul, e o azul fica branco. Depois de alguns minutos, todas as cores desaparecem, revelando uma superfície branca em vez de Minerva.

Os cientistas também mostraram que esse processo é reversível, substituindo o fluxo de hidrogênio por um fluxo de oxigênio. O oxigênio reage com o hidrogênio no hidreto de magnésio para formar água, para que as partículas de magnésio voltem a ser metálicas. Os pixels então mudam de volta na ordem inversa, e no final Minerva aparece em suas cores originais.

De maneira semelhante, os pesquisadores primeiro fizeram a microimagem de uma famosa pintura de Van Gogh desaparecer e depois reaparecer. Eles também produziram animações complexas que dão a impressão de fogos de artifício.

O princípio de uma nova técnica de criptografia

Laura Na Liu pode imaginar o uso desse princípio em uma nova tecnologia de criptografia. Para demonstrar isso, o grupo formou várias letras com pixels de magnésio. A adição de hidrogênio fez com que algumas letras desaparecessem com o tempo, como a imagem de Minerva. "Quanto ao resto das cartas, uma fina camada de óxido formada nas partículas de magnésio após a exposição da amostra ao ar por um curto período de tempo antes da deposição de paládio, “Liu explica. Essa camada é impermeável ao hidrogênio. O magnésio que fica sob a camada de óxido, portanto, permanece metálico - e visível - porque a luz é capaz de excitar os plasmons no magnésio.

Desta forma, é possível ocultar uma mensagem, por exemplo, misturando informações reais e sem sentido. Apenas o destinatário pretendido é capaz de fazer as informações sem sentido desaparecerem e filtrar a mensagem real. Por exemplo, depois de decodificar a mensagem "Hartford" com hidrogênio, apenas as palavras "arte ou" permaneceriam visíveis. Para tornar mais difícil quebrar essas mensagens criptografadas, o grupo está atualmente trabalhando em um processo que exigiria uma concentração de hidrogênio precisamente ajustada para a decifração.

Liu acredita que a tecnologia também poderá ser usada algum dia no combate à falsificação. "Por exemplo, recursos de segurança plasmônica podem ser impressos em notas ou embalagens farmacêuticas, que mais tarde poderia ser verificado ou lido apenas em condições específicas desconhecidas dos falsificadores. "

Não precisa necessariamente ser hidrogênio

Laura Na Liu sabe que o uso de hidrogênio torna algumas aplicações difíceis e impraticáveis ​​para o uso diário, como em displays móveis. "Vemos nosso trabalho como o ponto de partida para um novo princípio:o uso de reações químicas para impressão dinâmica, "diz o físico de Stuttgart. É certamente concebível que a pesquisa leve em breve à descoberta de reações químicas para mudanças de cor que não sejam a transição de fase entre o magnésio e o di-hidreto de magnésio, por exemplo, reações que não requerem reagentes gasosos.