La mayor parte del tiempo el color de un material proviene de sus propiedades químicas. Los diferentes átomos y moléculas absorben diferentes longitudes de onda de luz; las longitudes de onda restantes son los "colores intrínsecos" que percibimos cuando se reflejan en nuestros ojos.

El llamado "color estructural" funciona de manera diferente; es una propiedad de la física, no química. Los patrones microscópicos en algunas superficies reflejan la luz de tal manera que las diferentes longitudes de onda chocan e interfieren entre sí. Por ejemplo, las plumas de un pavo real están hechas de fibras proteicas transparentes que no tienen un color intrínseco en sí mismas, sin embargo, vemos el cambio azul iridiscente, tonalidades verdes y púrpuras debido a las estructuras a nanoescala en sus superficies.

A medida que nos volvemos más expertos en manipular estructuras en las escalas más pequeñas, sin embargo, estos dos tipos de color pueden combinarse de formas aún más sorprendentes. Los ingenieros de Penn han desarrollado ahora un sistema de tiras semiconductoras a nanoescala que utiliza interacciones de colores estructurales para eliminar por completo el color intrínseco de las tiras.

Aunque las tiras deben absorber la luz naranja y, por lo tanto, aparecer un tono de azul, parecen no tener ningún color en absoluto.

El ajuste fino de un sistema de este tipo tiene implicaciones para las pantallas holográficas y los sensores ópticos. También podría allanar el camino para nuevos tipos de microláseres y detectores, elementos fundamentales de las codiciadas computadoras fotónicas.

El estudio fue dirigido por Deep Jariwala, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, junto con los miembros del laboratorio Huiqin Zhang, un estudiante graduado, y Bhaskar Abhiraman, un estudiante universitario.

Fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

El sistema experimental del investigador consiste en tiras a nanoescala de un semiconductor bidimensional, disulfuro de tungsteno, dispuestas sobre un respaldo de oro. Estas tiras solo unas pocas docenas de átomos de espesor, están espaciados en tamaños de longitud de onda subóptica, permitiéndoles emitir el tipo de color estructural visto en alas de mariposa y plumas de pavo real.

"Jugamos con las dimensiones de este sistema, tomó muchas medidas experimentales, y ejecuté muchas simulaciones. Entonces notamos algo extraño, "Dice Abhiraman." Si las dimensiones de estas tiras fueran las correctas, la absorción de luz naranja, que debe ser intrínseco al material, desaparecido! En otras palabras, el revestimiento que consta de estas rayas es insensible a la luz entrante y solo muestra las propiedades del sustrato subyacente ".

“Otros investigadores de nanofotónica han demostrado anteriormente que el color estructural y estas absorciones intrínsecas pueden interactuar; esto se llama 'acoplamiento fuerte'. Sin embargo, nadie ha visto este tipo de desaparición antes, especialmente en un material que se supone que absorberá casi el 100 por ciento de la luz, ", Dice Jariwala." En el ejemplo de las plumas de pájaro o las alas de mariposa, son las estructuras a nanoescala del material biológico las que les dan colores iridiscentes, ya que esos materiales no tienen mucho color intrínseco por sí mismos. Pero si un material tiene un color intrínseco fuerte, mostramos que se puede hacer lo contrario y hacerlo desaparecer con la nanoestructuración adecuada. En algunas formas, está ocultando el color intrínseco del material de su respuesta a la luz ".

Investigar este fenómeno implica comprender cómo funciona el color intrínseco a nivel subatómico. Los electrones de un átomo están dispuestos en diferentes niveles concéntricos, dependiendo de cuántos electrones tenga ese elemento. Dependiendo de los espacios disponibles en esos arreglos, un electrón puede saltar a un nivel superior cuando absorbe la energía de una determinada longitud de onda de luz. Las longitudes de onda que son capaces de excitar electrones de esta manera determinan cuáles se absorben y cuáles se reflejan, y por tanto el color intrínseco de un material.

Investigadores de nanofotónica como Jariwala, Zhang y Abhiraman estudian interacciones aún más complicadas entre electrones y sus vecinos. Cuando los átomos están dispuestos en patrones cristalinos repetidos, como los que se encuentran en las tiras bidimensionales de disulfuro de tungsteno, sus capas de electrones se superponen en bandas contiguas. Estas bandas son las que permiten que los materiales conductores pasen cargas de un electrón a otro. Semiconductores, como disulfuro de tungsteno, son omnipresentes en la electrónica porque la interacción entre sus bandas de electrones da lugar a fenómenos útiles que pueden manipularse con fuerzas externas.

En este caso, la interacción de la luz y la carga eléctrica dentro de las tiras de semiconductores produjo el efecto de "camuflaje" sin precedentes.

"Cuando el electrón es excitado por longitudes de onda anaranjadas, crea una vacante conocida como agujero, dejando el cristal con un par de cargas opuestas fuertemente unidas llamadas excitón, ", Dice Jariwala." Debido a que la luz es una forma de radiación electromagnética, su campo electromagnético puede interactuar con esta excitación de carga y en circunstancias especiales cancelarla, para que un observador vea el naranja del sustrato dorado en lugar del azul de las tiras encima ".

En su papel Jariwala y sus colegas demostraron que los efectos de color estructural y la interacción intrínseca de absorción de excitones se pueden modelar con las mismas matemáticas exactas que los osciladores acoplados:masas que rebotan en resortes.

"Aplicamos este modelo y descubrimos que, en determinadas condiciones, este efecto de desaparición se puede reproducir, "Dice Zhang." Es hermoso que un truco de la mecánica clásica pueda explicar la forma en que nuestra estructura interactúa con la luz ".

Este tipo de color estructural, O la falta de eso, se puede utilizar para hacer recubrimientos de espesor nanométrico que están diseñados para ser insensibles a la luz entrante, lo que significa que el revestimiento parece ser del mismo color que el material que se encuentra debajo. Diferentes arreglos espaciales de esas características a nanoescala podrían producir el efecto opuesto, permitiendo hologramas y pantallas brillantes. Tradicionalmente, manipular tales características ha sido difícil, ya que los materiales requeridos eran mucho más gruesos y más difíciles de fabricar.

"Dado que este color estructural que observamos también es muy sensible al entorno que lo rodea, "Abhiraman dice, "Uno puede imaginar hacer sensores colorimétricos baratos y sensibles para sustancias químicas o moléculas biológicas si se combinan con el cebo químico adecuado".

"Otra área de aplicación potencial son los espectrómetros y fotodetectores integrados en un chip, ", dice." Incluso aquí, Los materiales semiconductores tradicionales, como el silicio, han sido difíciles de usar, ya que sus propiedades ópticas no conducen a una fuerte absorción. En virtud de la naturaleza confinada cuántica de los materiales 2-D, absorben o interactúan con la luz muy fuertemente, y su estructura en forma de hoja hace que sea fácil de colocar, depositar o revestir en superficies arbitrarias ".

Los investigadores piensan que la aplicación más poderosa de su sistema podría estar en las computadoras fotónicas, donde los fotones reemplazan a los electrones como medio de información digital, mejorando masivamente su velocidad.

"La hibridación de luz y materia se ha utilizado durante mucho tiempo en conmutadores de comunicación óptica y se ha concebido como el principio operativo para los láseres de potencia de umbral ultrabajo necesarios para la computación fotónica, "Jariwala dice". Sin embargo, Ha sido difícil conseguir que tales dispositivos funcionen a temperatura ambiente de una manera fiable y deseada. Nuestro trabajo muestra un nuevo camino hacia la fabricación e integración de tales láseres en sustratos arbitrarios, especialmente si podemos encontrar y reemplazar nuestros semiconductores 2-D actuales por otros que les gusta emitir mucha luz ".