Przełomowa metoda druku plazmonicznego o wysokiej rozdzielczości została opracowana i opatentowana przez naukowców z WAT. Badania były prowadzone w ramach międzynarodowego zespołu badawczego. Nowa metoda może znaleźć zastosowanie m.in. w znakowaniu laserowym, zapobieganiu fałszerstwom, szyfrowaniu chromatycznym i tworzeniu spersonalizowanej biżuterii. Wyniki badań ukazały się w prestiżowym czasopiśmie „Advanced Optical Materials”.
Kolor plazmoniczny to odmiana koloru strukturalnego, w którym postrzegana barwa obiektu wynika z rozpraszania światła przez mikroskopijne struktury znajdujące się na jego powierzchni. W przyrodzie przykładem takiego koloru są skrzydła motyla i pawie pióra. W przypadku koloru plazmonicznego barwa wynika z metalicznych nanostruktur, które mogą być około tysiąc razy mniejsze niż średnica ludzkiego włosa. Nanostruktury plazmoniczne są popularne od wieków ze względu na ich niezwykłą zdolność do wytwarzania żywych kolorów, które zależą od składu nanostruktury, morfologii, geometrii, a także położenia źródła światła. Ich przykładem są puchar Likurga i średniowieczne witraże.
„Druk plazmoniczny można porównać do rysowania na kartce, której kolor zmienia się w miejscach kontaktu z flamastrem. Tylko w naszym rozwiązaniu zamiast papieru mamy podłoże z naniesionymi cienkimi warstwami (metal-dielektryk-metal), a rolę flamastra pełnią impulsy lasera femtosekundowego, które modyfikują lokalnie strukturę górnej warstwy metalicznej, co w konsekwencji powoduje zmianę koloru. Kontrolując parametry laserowej modyfikacji, na przykład gęstość mocy lasera uzyskujemy różne kolory. Możemy to porównać do rysowania flamastrami o różnych kolorach” – wyjaśnia dr inż. Piotr Nyga z Instytutu Optoelektroniki WAT.
„Unikalność zaproponowanej przez nasz zespół metody polega na zastosowaniu struktur planarnych – bardzo cienkich warstw metalicznych wytwarzanych technikami osadzania próżniowego w połączeniu z modyfikacją laserową. Dzięki temu potrafimy lokalnie kontrolować kolor bez potrzeby używania skomplikowanych technik strukturyzowania powierzchni w nanoskali takich, jak litografia elektronowa. Nasze podejście pozwala na masową produkcję podłoży oraz laserowy druk spersonalizowanych wzorów lub obrazków w momencie, gdy zostają określone potrzeby” – dodaje naukowiec.
Zaletą druku plazmonicznego jest jego wysoka rozdzielczość. Umożliwia ona zmianę ekstremalnie małych obszarów, tak małych jak średnica wiązki lasera, nawet poniżej pojedynczego mikrometra. Oznacza to, że teoretycznie możliwy jest druk z rozdzielczością wyższą niż 25000 dpi. „Nie uzyskaliśmy tego w przeprowadzonych badaniach, ale jest to realne. Druk z taką rozdzielczością byłby jednak czasochłonny” – tłumaczy dr inż. Piotr Nyga.
Nowa metoda pozwala na generowanie stabilnych kolorów bez wykorzystania blaknących z czasem barwników i toksycznych pigmentów, które są potencjalnie niebezpieczne dla środowiska i człowieka. Dodatkową jej zaletą jest zależność kolorów od kąta obserwacji i polaryzacji światła, co może zostać wykorzystane do druku elementów zabezpieczających w dokumentach i na banknotach.
„Osiągnęliśmy szeroką gamę kolorów od zielonego do żółtego i od fioletowego do niebieskiego. Pożądany zakres kolorów można dostosować do danego oświetlenia. Dzięki spersonalizowanemu drukowaniu (na żądanie) opracowana metoda może być także stosowana do optycznego zapisu i przechowywania danych, przełączania polaryzacji i zastosowań zapobiegających podrabianiu” – wyjaśnia mgr inż. Michał Nowak z Instytutu Optoelektroniki WAT.
Optymalizacja parametrów modyfikacji laserowej, takich jak odstępy między liniami, prędkość skanowania, czas ekspozycji i rozmiar wiązki, może pozwolić zaawansowanym projektom artystycznym na osiągnięcie rozdzielczości kolorowego druku litograficznego. Może zostać to wykorzystane m.in. w segmencie spersonalizowanej biżuterii, ozdób artystycznych i elementów estetycznych.
„Prace nad laserowym drukiem koloru plazmonicznego rozpocząłem w 2018 r. w grupie prof. Vladimira Shalaev’a w Uniwersytecie Purdue, gdzie odbyłem roczny staż podoktorski w ramach stypendium Fulbright Senior Award. Zarówno w Instytucie Optoelektroniki WAT, jak i w Uniwersytecie Purdue prowadzimy dalsze prace nad kolorem plazmonicznym i laserową modyfikacją w mikro i nanoskali. W tym roku laboratorium w IOE WAT doposażyliśmy w unikalny laser femtosekundowy, co otworzy przed nami nowe możliwości i znacząco ułatwi badania” – mówi dr inż. Piotr Nyga.
Nowy artykuł to część szerszego cyklu badań. Wcześniej na ten temat ukazały się następujące publikacje: „Laser-induced color printing on semicontinuous silver films: red, green and blue”, „Lithography-Free Plasmonic Color Printing with Femtosecond Laser on Semicontinuous Silver Films” oraz artykuł przeglądowy „Colors with plasmonic nanostructures: A full-spectrum review”.
W 2023 r. badaczom przyznano patent, który powstał na bazie wyników eksperymentów opisanych w pierwszej z powyższych publikacji. Wyniki prezentowane w najnowszym artykule bazują na pomysłach i wstępnych badaniach z okresu stażu dr. Piotra Nygi w Uniwersytecie Purdue oraz eksperymentach z 2022 r., w których udział brał mgr inż. Michał Nowak, który odbył czteromiesięczny staż w Uniwersytecie Purdue w ramach współpracy również z Uniwersytetem Mikołaja Kopernika w Toruniu. W obecnie prezentowanych badaniach zastosowano strukturę Fabry-Perot (metal-dielektryk-metal), dzięki czemu uzyskano zwiększoną zależność koloru w funkcji kąta obserwacji i polaryzacji światła. Dodatkowo zastosowano grubszą wierzchnią warstwę srebra, co poprawiło stabilność koloru w czasie.
„Tematyka plazmonicznego koloru i druku poprzez modyfikację laserową jest nowatorska, co pokazuje niedawne przyznanie nam patentu chroniącego opisaną przez nas w 2019 r. metodę druku. Opracowaliśmy skalowalny, tani, nieblaknący plazmoniczny druk kolorowy. Wierzymy, że prezentowane przez nas osiągnięcia mają duży potencjał komercyjny” – zapewnia Piotr Nyga.
Artykuł „Wide-Range Angle-Sensitive Plasmonic Color Printing on Lossy-Resonator Substrates” ukazał się 15 listopada 2023 r. w czasopiśmie „Advanced Optical Materials”. Grono autorów tworzą pracownicy Instytutu Optoelektroniki WAT: dr inż. Piotr Nyga i mgr inż. Michał Nowak. Spoza WAT autorami publikacji są: dr Sarah N. Chowdhury, Jeffrey Simon, Karthik Pagadala, dr Colton Fruhling, prof. Esteban Garcia Bravo, prof. Vladimir M. Shalaev, prof. Alexander V. Kildishev i prof. Alexandra Boltasseva z Uniwersytetu Purdue oraz prof. dr hab. Sebastian Maćkowski z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Osoby zainteresowane tematyką zapraszamy do kontaktu.
Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 9.
Marcin Wrzos
fot. Mariusz Maciejewski