Jan Vermeer, Mädchen mit Perlenohrring (1665, Detail)
Physiker haben aus Nanosäulen eine Mikrostruktur geschaffen, deren Form und räumliche Ausrichtung nicht nur die Farbe, sondern auch die Helligkeit des durch sie hindurchtretenden Lichts verändert. Die variable Strahlungsintensität jedes "Pixels" in dieser Struktur ermöglichte es den Wissenschaftlern, mit Licht und Schatten zu arbeiten und realistische Tiefenbilder zu erhalten. Als Beispiel haben die Forscher "Mädchen mit einem Perlenohrring" nachgebaut - ein berühmtes Gemälde des niederländischen Künstlers Jan Vermeer. Laut den Autoren des in der Fachzeitschrift Optica veröffentlichten Artikels können Sie mit dieser Technik fotografische Bilder extrem kleiner Größe mit sanfter Farbmischung erstellen, und in Zukunft kann die Technologie für die faseroptische Informationsübertragung verwendet werden.
Wissenschaftler haben längst gelernt, Nanostrukturen zu verwenden, um das auf sie fallende Licht einzufärben: Bei solchen Geräten führt die Größenanpassung der Strukturen zu einer Änderung der Resonanzfrequenz, mit der sie emittieren. In den meisten Fällen funktioniert dies dank Plasmonenresonanzen in metallischen Nanostrukturen, neuerdings können Physiker dafür aber auch dielektrische Metamaterialien nutzen, deren Prinzip auf Resonanzen im Prozess der Mie-Streuung beruht. Solche Technologien implizieren jedoch keine Änderung der Helligkeit der endgültigen Strahlung, und die Arbeit mit Hell-Dunkel ist erforderlich, um realistische Bilder zu erstellen.
Nun haben Forscher aus China und den USA unter Beteiligung von Pengcheng Huo von der Nanjing University gelernt, wie man die Helligkeit des durch die Nanostruktur hindurchtretenden Lichts verändert und mit dessen Hilfe detaillierte Bilder erstellen kann. Als Leinwand diente den Wissenschaftlern eine Metaoberfläche – ein Satz elliptischer Nanosäulen aus Titandioxid auf einem flachen Siliziumdioxid-Substrat. Die Struktur wurde mithilfe von Elektronenlithographie und anschließender Atomlagenabscheidung erstellt, die es den Wissenschaftlern ermöglichte, die Größe und Form der abgeschiedenen Nanostrukturen äußerst genau zu kontrollieren.
Jedes „Pixel“des endgültigen Bildes hatte fünf Nanosäulen in drei verschiedenen Größen: zwei Säulen mit Haupt- und Nebenachsen von 250 und 50 Nanometern, zwei weitere mit Achsen von 320 und 80 Nanometern und die letzte mit 440 und 170 Nanometern. Die im Querschnitt kleinsten Säulen leuchteten blau, wenn weißes Licht darauf traf, die mittleren grün und die größte rot, und die Höhe der Nanostrukturen betrug 600 Nanometer.
Während des Herstellungsprozesses berechneten und veränderten Physiker den Winkel zwischen der Achse jeder Nanosäule und der Polarisationsrichtung des auf die Struktur einfallenden weißen Lichts. Solche elliptischen Nanostrukturen polarisieren Strahlung, was bedeutet, dass Wissenschaftler auf diese Weise die Intensität des Leuchtens jeder der Nanosäulen und den reibungslosen Übergang zwischen Farben und ihrer Helligkeit bis hin zum vollständigen Blackout ändern könnten.
(a) - Abbildungsschema, (b) - Emissionsspektren verschiedener Nanosäulen, wenn die Haupthalbachse parallel zur Polarisation des einfallenden Lichts (durchgezogene Linie) oder in einem Winkel dazu (gestrichelte Linie) steht (c, d) – Anordnung von Nanosäulen, (e) – das resultierende Bild.
Um diese Methode der Bilderzeugung im Nanomaßstab zu demonstrieren, strahlten Physiker weißes polarisiertes Licht auf die Metaoberfläche und erhielten eine (bis auf die Größe) exakte Kopie von "Girl with a Pearl Earring" von Jan Vermeer. Die Größe des Bildes überschritt zwei Quadratmillimeter nicht und die Farben und Schatten des Gemäldes waren dem Original ziemlich nahe. Trotz einer solchen künstlerischen Demonstration lässt sich die entwickelte Technologie aber auch für angewandte Zwecke einsetzen: zum Beispiel zur Steuerung von Helligkeit und Wellenlänge der Strahlung bei der faseroptischen Informationsübertragung.
Nanostrukturen können nicht nur dazu verwendet werden, die Farbe oder Intensität der Strahlung zu verändern, sondern sie auch zu fokussieren: Wir haben früher darüber gesprochen, wie Physiker mit einem Metallens Licht im gesamten sichtbaren Bereich fokussierten. Und durch das Auftragen von Nanotexturen auf Glas, ähnlich den oben beschriebenen Nanosäulen, machten Chemiker es transparenter.
