Плазменное облучение удаляет графит из грифеля карандаша, обнажая тонкий слой глины. Управляя временем экспозиции, можно изменять толщину этого слоя, чтобы модулировать инфракрасное (ИК) отражение образца грифеля карандаша. Используя этот метод, на образце грифеля карандаша можно писать буквы, которые можно увидеть только с помощью ИК-камеры.
Кредит: Хироши Мориваки из Университета Синсю

Оптические материалы необходимы во многих современных приложениях, но контролировать, как материал отражает свет на своей поверхности, дорого и сложно. Теперь, в недавнем исследовании, исследователи из Японии нашли простой и недорогой способ настройки спектров отражения образцов карандашных грифелей с использованием плазмы. Их метод позволил им производить карандашные грифели с различными структурными цветами и даже печатать невидимые символы, которые можно увидеть только с помощью инфракрасной камеры.

Взаимодействуя со светом предсказуемым образом, оптические материалы проложили путь для всех видов современных технологий, от промышленных датчиков, органических светодиодов или OLED-дисплеев и телекоммуникаций до лечения рака. Во многих из этих приложений контроль частот света, поглощаемого и отражаемого этими материалами, имеет важное значение.

Однако одной из насущных проблем с оптическими материалами является их относительно высокая стоимость. Для обеспечения надлежащего функционирования оптические материалы часто требуют сложных этапов производства и строгого контроля качества.

Более того, исследования и разработки также, как правило, дороги, особенно для более узкоспециализированных приложений. Вдобавок к этому, нынешняя чрезмерная зависимость оптических материалов от дефицитных веществ, таких как редкоземельные элементы, означает, что их производство не будет устойчивым в долгосрочной перспективе.

С этой целью профессор Хироши Мориваки с кафедры прикладной биологии факультета текстильной науки и технологии вместе с доцентом Шоухей Кояма с кафедры передового текстиля и инженерии Кансей факультета текстильной науки и технологии, оба из Университета Синсю, упорно трудились, чтобы найти прорыв. В течение последних нескольких лет их исследовательская группа изучала потенциальное использование грифеля карандаша, одного из самых простых и широко распространенных материалов, в качестве оптического материала.

В своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Optical Materials, они сообщили о недавнем прорыве, который может произвести революцию в этой области.

Но как превратить грифель карандаша в полезные оптические материалы? Ответ сводится к одному слову: плазма, электрически заряженное газообразное состояние.

"Ранее мы сообщали, что, облучая грифель карандаша плазмой, можно контролировать отражение света в видимом диапазоне и создавать различные "структурные цвета". Эти структурные цвета образуются из-за явления, известного как тонкослойная интерференция между глиной и графитом, которые являются двумя основными компонентами грифеля карандаша", - объясняет профессор Мориваки,

«В предлагаемом подходе удаление графита с поверхности грифеля карандаша посредством плазменного травления обнажает лежащую под ним глину, которая действует как тонкий слой».

Основываясь на этих предыдущих выводах, исследователи изучили влияние более длительной плазменной обработки свинца. Для этого они подготовили образцы грифеля карандаша и поместили их в плазменную камеру на разные периоды времени, от десяти секунд до более трех минут. После этого они измерили изменения в спектрах отражения образцов, то есть интенсивность, с которой каждый обработанный образец отражает падающий свет в зависимости от его частоты.

Исследователи обнаружили, что облучение грифеля карандаша плазмой в течение длительного времени привело к появлению нового оптического материала, который вызывает интерференцию в ближнем инфракрасном и среднем инфракрасном диапазонах, которые находятся ниже области длин волн видимого света. Это было связано с большей толщиной слоя глины, обнажаемого плазменным травлением.

Чтобы продемонстрировать наглядное применение своей техники, команда выгравировала буквы и цифры на поверхности пластины карандашного грифеля таким образом, что символы были видны только при использовании инфракрасной камеры.

В целом, это исследование намекает на новый и захватывающий метод производства оптических материалов по значительно сниженной цене. «Цель этого исследования — разработать метод использования старого материала, например, грифеля карандаша, и превратить его в новый оптический материал», — говорит профессор Мориваки.

«В нашем методе в качестве исходного материала используется только грифель карандаша, что чрезвычайно экологично. Было бы здорово, если бы эту стратегию можно было применить к принтерам для разработки совершенно новых и устойчивых технологий печати».

Исследователи надеются, что эти усилия приведут к созданию более доступных оптических материалов и, возможно, даже новых способов печати.