Cambiare la permeabilità dei raggi di luce in pochi secondi

Nell'immagine si vede il nuovo componente, un'iris elettrocromico. Presenta tre livelli di apertura. Nell'immagine è attivato solo il livello centrale (anello nero). A differenza delle aperture meccaniche normali, l'apertura centrale può essere attivata senza influenzare le altre. Con i morsetti vengono applicate le tensioni per poter comandare elettricamente ogni apertura. Il nero nell'immagine (ad eccezione dell'anello) è uno strato strutturato di elettrodo d'oro. (Foto: Koziel/TUK)

Il Professor Dr. Egbert Oesterschulze (re.) e il suo dottorando Carsten Kortz hanno sviluppato il nuovo filtro con i partner. (Foto: Koziel/TUK)

Fare una buona foto sotto il sole di mezzogiorno è una sfida anche per i fotografi esperti. Un aiuto può arrivare da un filtro controllabile elettricamente, sviluppato da fisici di Kaiserslautern con partner. La quantità di luce che passa viene regolata impostando il grado di colorazione. Vengono utilizzate molecole elettrocrome (EC) su nanoparticelle, che cambiano le loro proprietà ottiche in meno di un secondo quando viene applicata una tensione elettrica. Nei filtri EC, questo è l'elemento più contrastato e più veloce. È interessante, ad esempio, per microottiche negli smartphone. I ricercatori presentano il loro lavoro sulla rivista specializzata Nature Communications.

Con il termine trasmissione si descrive la permeabilità di un materiale alle onde luminose ottiche. I fisici del professor Dr. Egbert Oesterschulze, Carsten Kortz e Alexander Hein dell'Università Tecnica di Kaiserslautern (TUK) hanno sviluppato un filtro innovativo che può modificare questa permeabilità in meno di un secondo.

«Nel nostro sistema vengono utilizzati due elettrodi coordinati tra loro, che rafforzano al massimo la loro colorazione», dice il professor Oesterschulze, che dirige la cattedra di fisica e tecnologia delle nanostrutture alla TUK. La particolarità: sugli elettrodi ci sono strati di nanoparticelle con molecole appositamente adattate. Queste hanno proprietà molto speciali: sono elettrocrome. Ciò significa che cambiano le loro proprietà ottiche quando viene applicata o modificata una tensione agli elettrodi. «Su un elettrodo avviene un'ossidazione, mentre sull'altro si verifica contemporaneamente una riduzione», spiega il professor di Kaiserslautern. «In questo modo, gli elettroni migrano da un elettrodo all'altro.» Di conseguenza, le molecole sulle nanoparticelle si colorano. Questo stato di colorazione rimane senza ulteriore apporto di energia e può essere completamente decolorato invertendo la polarità della tensione.

I ricercatori sono riusciti a far avvenire questo processo elettrochimico rapidamente per questo tipo di materiali, ottenendo allo stesso tempo un ottimo contrasto di colorazione. «Richiede meno di un secondo», prosegue. «Finora, questo è il componente più veloce che si sia potuto raggiungere in questo campo.»

Questi componenti o i materiali utilizzati non sono interessanti solo per fotocamere e videocamere negli smartphone; potrebbero essere impiegati anche nel settore delle finestre a regolazione della trasparenza. In questo modo, non solo la luce visibile può essere filtrata, ma anche, a seconda del materiale, le radiazioni infrarosse, che riscaldano particolarmente gli interni di un edificio durante l'estate. Inoltre, i filtri presentati potrebbero essere utilizzati anche in telecamere impiegate in applicazioni di sicurezza, ad esempio per il monitoraggio di terreni. Si può evitare sovraesposizione causata dalla luce solare.

I fisici di Kaiserslautern hanno sviluppato il sistema insieme ai colleghi ricercatori Dr. Marius Ciobanu e Professor Dr. Lorenz Walder dell'Università di Osnabrück. Il lavoro è stato finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista specializzata Nature Communications: «Complementary hybrid electrodes for high contrast electrochromic devices with fast response». Inoltre, è stato riconosciuto come «Editors' Highlight» dalla redazione della rivista: https://www.nature.com/collections/dmmhtcypsc/content/jacilynn-brant

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-12617-4

Risposte alle domande:
Prof. Dr. Egbert Oesterschulze
Fisica e tecnologia delle nanostrutture
Tel.: 0631 205-2680
E-mail: oester[at]physik.uni-kl.de