La impresión plasmónica produce resoluciones varias veces mayores que los métodos de impresión convencionales. En impresión plasmónica, los colores se forman en las superficies de pequeñas partículas metálicas cuando la luz excita sus electrones para que oscilen. Investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart han demostrado ahora cómo los colores de tales partículas metálicas se pueden alterar con hidrógeno. La técnica podría abrir el camino para animar imágenes de ultra alta resolución y para desarrollar pantallas extremadamente nítidas. Al mismo tiempo, proporciona nuevos enfoques para cifrar información y detectar falsificaciones.

Los artesanos del vidrio en la época medieval explotaron el efecto mucho antes de que se conociera. Colorearon las magníficas ventanas de las catedrales góticas con nanopartículas de oro, que brillaba rojo en la luz. No fue hasta mediados del siglo XX que el fenómeno físico subyacente recibió un nombre:plasmones. Estas oscilaciones colectivas de electrones libres son estimuladas por la absorción de radiación electromagnética incidente. Cuanto más pequeñas son las partículas metálicas, cuanto más corta sea la longitud de onda de la radiación absorbida. En algunos casos, la frecuencia de resonancia, es decir., la absorción máxima, cae dentro del espectro de luz visible. La parte no absorbida del espectro se dispersa o refleja, creando una impresión de color. Las partículas metálicas, que suelen parecer plateadas, cobrizo o dorado, luego adopte colores completamente nuevos.

Una resolución de 100, 000 puntos por pulgada

Los investigadores también están aprovechando el efecto para desarrollar la impresión plasmónica, en el que las partículas metálicas cuadradas hechas a medida se disponen en patrones específicos sobre un sustrato. La longitud del borde de las partículas es del orden de menos de 100 nanómetros (100 mil millonésimas de metro). Esto permite una resolución de 100, 000 puntos por pulgada, varias veces más de lo que pueden lograr las impresoras y pantallas actuales.

Para partículas metálicas que miden varios 100 nanómetros de ancho, la frecuencia de resonancia de los plasmones se encuentra dentro del espectro de luz visible. Cuando la luz blanca incide sobre tales partículas, aparecen en un color específico, por ejemplo rojo o azul. El color del metal en cuestión está determinado por el tamaño de las partículas y su distancia entre sí. Por lo tanto, estos parámetros de ajuste tienen el mismo propósito en la impresión plasmónica que la paleta de colores en la pintura.

El truco de la reacción química

El Grupo de Investigación Smart Nanoplasmonics del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart también hace uso de esta variabilidad de color. Actualmente están trabajando en la realización de una impresión plasmónica dinámica. Ahora han presentado un enfoque que les permite alterar los colores de los píxeles de manera predecible, incluso después de que se haya impreso una imagen. "El truco consiste en utilizar magnesio. Puede sufrir una reacción química reversible en la que se pierde el carácter metálico del elemento, "explica Laura Na Liu, quien dirige el grupo de investigación de Stuttgart. "El magnesio puede absorber hasta un 7,6% de hidrógeno en peso para formar hidruro de magnesio, o MgH2 ", Liu continúa. Los investigadores cubren el magnesio con paladio, que actúa como catalizador en la reacción.

Durante la transición continua de magnesio metálico en MgH2 no metálico, el color de algunos de los píxeles cambia varias veces. El cambio de color y la velocidad a la que avanza siguen un patrón claro. Esto está determinado tanto por el tamaño y la distancia entre las partículas individuales de magnesio como por la cantidad de hidrógeno presente.

En el caso de la saturación total de hidrógeno, el color desaparece por completo, y los píxeles reflejan toda la luz blanca que cae sobre ellos. Esto se debe a que el magnesio ya no está presente en forma metálica, sino solo como MgH2. Por eso, tampoco hay electrones metálicos libres que puedan oscilar.

El acto de desaparición de Minerva

Los científicos demostraron el efecto de un comportamiento de color tan dinámico en una impresión plasmónica de Minerva, la diosa romana de la sabiduría, que también llevaba el logo de la Sociedad Max Planck. Eligieron el tamaño de sus partículas de magnesio para que el cabello de Minerva pareciera rojizo por primera vez, la cabeza que cubre amarillo, el escudo de plumas rojo y la corona de laurel y el contorno de su rostro azul. Luego lavaron la microimpresión con hidrógeno. Una película de lapso de tiempo muestra cómo cambian los colores individuales. El amarillo se vuelve rojo el rojo se vuelve azul, y el azul se vuelve blanco. Después de unos minutos todos los colores desaparecen, revelando una superficie blanca en lugar de Minerva.

Los científicos también demostraron que este proceso es reversible al reemplazar la corriente de hidrógeno con una corriente de oxígeno. El oxígeno reacciona con el hidrógeno en el hidruro de magnesio para formar agua, de modo que las partículas de magnesio se vuelven metálicas nuevamente. Luego, los píxeles vuelven a cambiar en orden inverso, y al final Minerva aparece con sus colores originales.

De manera similar, los investigadores primero hicieron que la microimagen de una famosa pintura de Van Gogh desapareciera y luego reapareciera. También produjeron animaciones complejas que dan la impresión de fuegos artificiales.

El principio de una nueva técnica de cifrado

Laura Na Liu puede imaginarse usando este principio en una nueva tecnología de encriptación. Para demostrar esto, el grupo formó varias letras con píxeles de magnesio. La adición de hidrógeno luego hizo que algunas letras desaparecieran con el tiempo, como la imagen de Minerva. "En cuanto al resto de las letras, una fina capa de óxido formada sobre las partículas de magnesio después de exponer la muestra al aire durante un corto período de tiempo antes de la deposición del paladio, "Liu explica. Esta capa es impermeable al hidrógeno. Por lo tanto, el magnesio que se encuentra debajo de la capa de óxido permanece metálico, y visible, porque la luz puede excitar los plasmones en el magnesio.

De esta forma es posible ocultar un mensaje, por ejemplo, mezclando información real y sin sentido. Solo el destinatario previsto puede hacer desaparecer la información sin sentido y filtrar el mensaje real. Por ejemplo, después de decodificar el mensaje "Hartford" con hidrógeno, sólo las palabras "arte o" permanecerían visibles. Para que sea más difícil descifrar estos mensajes cifrados, el grupo está trabajando actualmente en un proceso que requeriría una concentración de hidrógeno ajustada con precisión para descifrar.

Liu cree que la tecnología también podría usarse algún día en la lucha contra la falsificación. "Por ejemplo, Las características de seguridad plasmónica se pueden imprimir en billetes de banco o paquetes farmacéuticos, que más tarde podría comprobarse o leerse únicamente en condiciones específicas desconocidas para los falsificadores ".

No necesariamente tiene que ser hidrógeno

Laura Na Liu sabe que el uso de hidrógeno hace que algunas aplicaciones sean difíciles y poco prácticas para el uso diario, como las pantallas móviles. "Vemos nuestro trabajo como el inicio de un nuevo principio:el uso de reacciones químicas para la impresión dinámica, ", dice el físico de Stuttgart. Ciertamente es concebible que la investigación pronto conduzca al descubrimiento de reacciones químicas para cambios de color distintos de la transición de fase entre magnesio y dihidruro de magnesio, por ejemplo, reacciones que no requieren reactivos gaseosos.