Nanoforskere skaber uhyre små farvebilleder - uden brug af maling
DTU-forskere har vist, hvordan laserlys kan forvandle nanostrukturer til farvebilleder med ekstremt høj opløsning. Nanoteknologien kan gøre genbrug nemmere og bruges til kopisikring.
Strukturprintet billede

På dette billede med strukturfarver er cyan, magenta og gul blandet for at give sort. (Foto: DTU)

Er man træt af farven på væggene, giver man dem et lag maling. I malingen er der pigment – et pulver af kemiske stoffer – som ændrer farven af det lys, der reflekteres af væggene. På samme måde er der farvepigmenter i de patroner, man har siddende i sin farveprinter.

Historien kort
  • Frem for at bruge farvestoffer kan man frembringe farver ved hjælp af nanostrukturer.
  • DTU-forskere kan nu laserprinte farvebilleder ved at smelte nanoskiver af germanium helt eller delvist.
  • Teknikken kan sikre mere genbrug eller bruges til uhyre små farvebilleder, der kan gemme på informationer.

Men forskere fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har fundet ud af, hvordan man kan printe i farver uden brug af blæk eller toner. Ændrer man overfladens struktur, kan man nemlig få den til at skifte farve.

»I stedet for at bruge farvestoffer, kan vi absorbere en bestemt del af farvespektret og dermed styre farven med ganske små klatter af halvleder-materialet germanium,« fortæller professor Anders Kristensen fra Institut for Mikro- og Nanoteknologi på DTU.

Han er medforfatter på en videnskabelig artikel i tidsskriftet Science Advances, hvor den nye metode beskrives.

Strukturerne på overfladen skal være mindre end lysets bølgelængde, hvis teknikken skal virke. Synligt lys har bølgelængder på mellem ca. 380 og ca. 750 nanometer, og da en nanometer er en milliontedel af en millimeter, er vi virkelig i småtingsafdelingen.

Naturen kom først

Strukturfarver er ikke noget, ingeniørerne på DTU har fundet på. Naturen byder på en del farver, der skyldes strukturer frem for pigmenter, for eksempel de flotte, skinnende farver, man kan se på sommerfuglevinger og påfuglehaler.

Kamæleoner er endda i stand til at skifte farve ved at ændre på strukturen af deres hud, som vi tidligere har beskrevet det.

Når forskerne forsøger at frembringe farver med nanostrukturer, efterligner de naturen, men de prøver også at gøre det bedre ved at tage andre fysiske principper i brug. Med den nye metode kan DTU-forskerne frembringe alle farver bortset fra grøn – og det arbejdes der selvfølgelig på.

»Et stort fremskridt«

Professor Sergey I. Bozhevolnyi leder forskningscenteret Nano Optics på Syddansk Universitet, og han har med interesse læst den videnskabelige artikel. Han har stor respekt for det, forskerne fra DTU har opnået:

»Resultatet er et stort fremskridt på dette område. Det er en hurtig og billig teknik, og forskerne har demonstreret, at den er robust.«

»Nu handler det om at finde de bedste måder at tage teknikken i brug.«

Nemmere at genbruge

De printede strukturfarver har nogle fordele frem for farver printet med pigmenter. For eksempel falmer de ikke med tiden, som man ser det med pigmenter, der for eksempel udsættes for sollys.

Mindst lige så vigtigt er det, at der kun er brug for ét materiale til at danne alle mulige farver, og det er en fordel, når et produkt skal genbruges.

For eksempel er farvestrålende plastic-legetøj ofte fremstillet af flere forskellige stykker plastic i forskellige farver. Skal man genbruge plasten, skal man først sorteres efter farve – med mindre det hele bare skal ende med at blive farvet sort.

En ny klasse af ultratynde, fleksible folier, der kan afgive strukturfarver, kan indstøbes i plasten, og så er der ikke behov for kemiske farvestoffer.

Når plasten skal genbruges, kan man nøjes med at frasortere den tynde folie med nanostrukturer, eller også kan man bare lade den sidde på – den vil nemlig være så tynd, at den kun vil udgøre en forsvindende lille del af produktet.

Kan printe usynlige billeder

Strukturprint med 127.000 dpi

Billeder som disse, der er printet med en ekstrem høj opløsning på 127.000 dpi, kan være usynlige for det blotte øje. Så kræver de kræver mikroskop for at blive set. (Foto: DTU)

Men til at starte med bliver det måske nærmere muligheden for at printe i ekstremt høj opløsning, der bliver udnyttet.

Med teknikken kan man nemlig printe med en opløsning på over 100.000 punkter pr. tomme (dpi). Det gør det muligt at printe farvebilleder, der er meget mindre, end det menneskelige øje kan se.

Derfor kan teknikken anvendes til mærke produkter, så man kan sikre ægtheden af dem eller spore dem tilbage til kilden. Produkterne kan forsynes med koder, som andre teknikker ikke kan frembringe, og som kun kan ses under mikroskop.

Oplagt til pengesedler

Det er den form for anvendelser, der ifølge Sergey Bozhevolnyi er mest oplagt:

»Man kan tænke sig, at bittesmå farvebilleder printes på pengesedler. Så skal man blot bruge et billigt mikroskop, hvis man vil sikre sig, at pengesedlen er ægte – hvis man altså ved, hvor man skal kigge.«

På en 500-kroneseddel kunne der for eksempel være et miniature-billede af Niels Bohr på næsetippen af det store billede af den danske fysiker, der pryder sedlerne.

DTU-forskerne arbejder videre med teknologien, og samtidig har de kontakt til danske firmaer som NIL Technology og Inmold, som har specialiseret sig i fremstillingen af nanostrukturer. Masseproduktion af produkter med strukturfarver burde være inden for rækkevidde.

Nanoteknologi skal der til

Strukturprint

DTU-forskerne har printet mange forskellige motiver i forskellige opløsninger. Disse er printet med 500 dpi. (Foto: DTU)

Når der skal farveprintes med strukturfarver, starter forskerne med at konstruere en såkaldt metaoverflade med en masse 60 nanometer høje søjler af plast. Overfladen belægges med et lag germanium, der blot er 35 nanometer tykt. Halvledermaterialet lægger sig som skiver på toppen af søjlerne.

»Man kan støbe produkter med nanostrukturer i overfladen, og så kan man pådampe et lag halvledermateriale og bruge vores metode til at frembringe farver,« siger Anders Kristensen.

Laserlys giver de forskellige farver

»Vi kan belyse de enkelte nanoskiver med korte laserpulser, og når laserlyset bliver absorberet af de små klatter af germanium, varmes de op og smelter. Så er fidusen, at vi kan justere laserens styrke, så klatterne smelter mere eller mindre,« fortsætter han.

»Så ændrer nanoskiverne form – en skive kan for eksempel samle sig til en kugle eller helt forsvinde, og det får bølgelængden af det reflekterede lys til at ændre sig. Overfladen skifter farve.«

I princippet er laseren af samme type og styrke som en almindelig, grøn laserpointer. Hver laserpuls varer blot et nanosekund, så plasten under de tynde lag germanium når ikke at smelte.

Germanium er bedre end aluminium

Her på Videnskab.dk har DTU-forskerne tidligere skrevet om, hvordan små nanosøljer med skiver af aluminium på toppen kan frembringe forskellige farver. Dette arbejde blev også beskrevet i en videnskabelig artikel i tidsskriftet Nature Nanotechnology.

Men teknikken virker langt bedre med germanium, siger Anders Kristensen:

Sådan ser det ud, når et billede af Mona Lisa printes i en opløsning på 127.000 dpi. (Video: DTU)

»Der er meget mere kontrast i disse farver. De er ikke så fesne og står skarpere.«

Problemet med at bruge aluminium var, at en del af det lys, der ikke blev kastet tilbage af nanoøerne på toppen af søjlerne, i stedet blev reflekteret af det aluminium, der endte på plast-substratet mellem søjlerne. Det sker ikke, når man bruger germanium – her absorberes det lys, der kommer ned imellem øerne.

Forskerne har også forsøgt sig med det udbredte og velkendte halvledermateriale silicium, som også kan bruges til at frembringe farver. Her skal der dog et tykkere lag til, for silicium er dårligere end germanium til at absorbere farver i det synlige område.

Men først skal fysikerne på DTU sørge for, at de også kan skabe den grønne farver, der driller lidt. Det skal nu nok komme.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud