Halide Perovskite Trilayer Metasurfaces for Ultrabright and Wide-Gamut Structural Color
Questo articolo presenta una prova di concetto a livello di simulazione per una metasuperficie trilayer a indice di gradiente, interamente in perovskite, che utilizza meta-atomi a forma di cono tronco per ottenere colori strutturali riflettenti ultrabrianti, insensibili alla polarizzazione e ad ampio spettro che coprono l'intero visibile.
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Il colore è solitamente una questione di chimica. Il rosso di una rosa o il blu della piuma di un uccellino derivano da pigmenti, molecole che assorbono determinate lunghezze d'onda della luce e ne riflettono altre. Questi coloranti chimici sono efficaci, ma sbiadiscono nel tempo man mano che il sole li decompone, e possono essere difficili da produrre con una perfetta costanza. Gli scienziati cercano da tempo un'alternativa: il colore strutturale. Questo approccio crea il colore non con la chimica, ma con la forma. Costruendo strutture minuscole, più piccole della larghezza di un'onda di luce visibile, i ricercatori possono costringere la luce a rimbalzare, diffondersi e interferire in modi specifici, producendo tonalità vivide e permanenti che non sbiadiscono.
La sfida con il colore strutturale è stata trovare i materiali giusti per costruire queste strutture minuscole. I metalli possono creare colori netti, ma assorbono troppa luce, rendendo i colori spenti. I comuni materiali simili al vetro sono brillanti, ma spesso faticano a produrre una vasta gamma di colori saturi senza diventare molto grandi o complessi. Una recente svolta in questo campo ha riguardato l'impilamento di diversi materiali in una forma conica rastremata, a punta, per intrappolare la luce in modo efficiente e creare una vasta tavolozza di colori. Tuttavia, questo precedente successo si basava su una combinazione di materiali difficili da gestire insieme. La domanda rimaneva: questo stesso ingegnoso principio di progettazione poteva essere applicato a una famiglia di materiali noti come perovskiti alogenuri, famose per le loro proprietà ottiche regolabili, ma che non erano ancora state utilizzate in questo modo specifico per la creazione del colore?
In un nuovo studio, un ricercatore della Noakhali Science and Technology University ha risposto a questa domanda con una simulazione computerizzata dettagliata. Il lavoro propone un nuovo tipo di superficie composta interamente da alogenuri di perovskite, disposti in una pila a tre strati a forma di tronco di cono. Immaginate una pila di tre anelli, dove l'anello centrale è fatto di un materiale scuro ad alto indice chiamato CsPbI₃ in fase nera, e gli anelli superiore e inferiore sono fatti di un materiale trasparente ad ampio bandgap chiamato MAPbCl₃. Questi strati non sono piatti; sono rastremati, il che significa che sono più larghi alla base e più stretti in cima, creando un gradiente fluido nel modo in cui il materiale interagisce con la luce. Il ricercatore ha costruito un modello virtuale di questa struttura su un computer per vedere come si sarebbe comportata se colpita dalla luce.
La simulazione ha rivelato che questa specifica disposizione è altamente efficace nel riflettere la luce. Mantenendo l'altezza verticale dei tre strati fissata rispettivamente a 90, 100 e 80 nanometri, il ricercatore ha scoperto che era possibile generare un intero spettro di colori semplicemente cambiando la larghezza del cono e la spaziatura tra i coni sulla superficie. Questa scalabilità geometrica ha permesso la creazione di sette colori distinti, che vanno dal violetto a 470 nanometri al rosso a 630 nanometri. I modelli informatici hanno mostrato che queste strutture potevano riflettere quasi tutta la luce che le colpiva alla loro specifica tonalità, rendendole eccezionalmente luminose. I colori non erano solo brillanti; erano anche molto puri, con il design rosso che mostrava una banda di luce riflessa molto stretta, segno di un colore saturo di alta qualità.
Lo studio ha anche esaminato come questi colori si comportano quando osservati da diverse angolazioni o quando la sorgente luminosa cambia direzione. Poiché i coni sono circolari, il colore non cambia a seconda di come la luce lo colpisce frontalmente, rendendo la superficie insensibile alla polarizzazione. Inoltre, il colore rimane stabile e identificabile anche quando viene osservato da un angolo di 40 o 50 gradi, il che rappresenta un vantaggio significativo per applicazioni pratiche come display o elementi di sicurezza. Quando il ricercatore ha esaminato la fisica all'interno della simulazione, la luce appariva intrappolata principalmente nel nucleo centrale scuro del cono, comportandosi come una risonanza magnetica. Ciò conferma che il design funziona concentrando la luce nel materiale ad alto indice, esattamente come previsto.
La tavolozza di colori risultante copre una vasta area dello spettro visibile. La simulazione ha mostato che il violetto, il blu e il ciano prodotti da questo design sono così saturi da cadere al di fuori dell'intervallo standard utilizzato dalla maggior parte dei monitor per computer, noto come gamut sRGB. L'intero set di sette colori rientra comodamente nei range più ampi utilizzati dagli standard del cinema professionale e della televisione di fascia alta. Ciò suggerisce che, se questa struttura potesse essere costruita nel mondo reale, potrebbe produrre colori più vivaci e accurati di quanto sia attualmente possibile con la tecnologia standard.
Tuttavia, lo studio sottolinea con cautela che si tratta di una simulazione, una prova di concetto piuttosto che un prodotto finito. L'ostacolo più significativo per rendere tutto ciò reale è la stabilità del materiale centrale, il CsPbI₃ in fase nera. Nel mondo reale, questo materiale tende a cambiare la sua struttura e a diventare giallo quando esposto all'aria e alla luce normali, il che rovinerebbe le sue proprietà ottiche. Per costruire questo, gli scienziati dovrebbero prima trovare un modo per stabilizzare la fase nera, forse aggiungendo altri elementi o sigillandolo in uno strato protettivo. Inoltre, le proprietà ottiche esatte dei materiali in un film reale dovrebbero essere misurate, poiché il modello informatico si basa su valori teorici.
Nonostante queste sfide, il lavoro stabilisce una chiara strada da seguire. Dimostra che il design a indice di gradiente, precedentemente efficace con altri materiali, può essere traslato in un sistema chimicamente unificato composto interamente da perovskiti. Lo studio mostra che mantenendo fissi gli strati verticali e regolando semplicemente le dimensioni laterali, si può creare una gamma di colori ampia, luminosa e stabile. Questa scoperta offre un nuovo progetto per futuri dispositivi che necessitano di colori vivaci e non svanenti, a patto che le sfide della scienza dei materiali per la stabilizzazione degli strati di perovskite possano essere risolte. La simulazione prova che l'idea funziona in teoria, invitando gli sperimentali a compiere il passo successivo e vedere se può essere costruita in laboratorio.
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