Doorlaatbaarheid van lichtstralen in seconden snel veranderen

Op de afbeelding is het nieuwe onderdeel te zien, een elektrochrome iris. Het heeft drie diafragma-instellingen. Op de afbeelding is alleen de middelste stand ingeschakeld (zwarte ring). In tegenstelling tot normale mechanische diafragma's kan de middelste opening worden bediend zonder de andere te beïnvloeden. Met behulp van de klemmen worden de spanningen aangelegd om elke opening elektrisch te kunnen bedienen. Het zwarte gedeelte op de afbeelding (behalve de ring) is een gestructureerde goud-elektrodeschicht. (Foto: Koziel/TUK)

Professor Dr. Egbert Oesterschulze (re.) en zijn promovendus Carsten Kortz hebben de nieuwe filter ontwikkeld met partners. (Foto: Koziel/TUK)

Een goede foto maken in de middagzon is ook voor ervaren fotografen een uitdaging. Hier kan een elektrisch bedienbare filter helpen, dat door fysici uit Kaiserslautern samen met partners is ontwikkeld. De doorgelaten hoeveelheid licht wordt aangepast door het instellen van de kleurbaarheid. Er worden elektrochrome (EC) moleculen op nanodeeltjes gebruikt, die hun optische eigenschappen in minder dan een seconde veranderen wanneer er een elektrische spanning wordt aangelegd. Bij EC-filters is hij daarmee het meest contrastrijke en snelste component. Interessant is hij bijvoorbeeld voor micro-optica in smartphones. De onderzoekers presenteren het werk in het vakblad Nature Communications.

Met de term transmissie wordt de doorlaatbaarheid van een materiaal voor optische lichtgolven beschreven. De fysici onder leiding van professor Dr. Egbert Oesterschulze, Carsten Kortz en Alexander Hein van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) hebben een nieuw soort filter ontwikkeld dat deze doorlaatbaarheid in minder dan een seconde kan veranderen.

„Bij onze techniek worden twee op elkaar afgestemde elektroden gebruikt die hun kleuring zo goed mogelijk versterken“, zegt professor Oesterschulze, die aan de TUK de leerstoel voor fysica en technologie van nanostructuren leidt. Het bijzondere hierbij: op de elektroden bevinden zich nanodeeltjeslagen met speciaal aangepaste moleculen. Deze hebben heel bijzondere eigenschappen: ze zijn elektrochrom. Dat betekent dat ze hun optische eigenschappen veranderen wanneer een spanning op de elektroden wordt aangelegd of gewijzigd. „Bij de ene elektrode vindt dan een oxidatie plaats, terwijl er tegelijkertijd reductie plaatsvindt bij de andere“, zegt de Kaiserslauternse professor. „Elektronen migreren daarbij van de ene naar de andere elektrode.“ Als gevolg hiervan kleuren de moleculen op de nanodeeltjes. Deze kleurbestandheid blijft zonder verdere energievoorziening bestaan en kan door het ompolen van de spanning weer volledig worden ontkleurd.

De onderzoekers zijn erin geslaagd om dit elektrochemische proces snel te laten verlopen voor dit soort materialen en tegelijkertijd een zeer goed kleurbijn te bereiken. „Het duurt minder dan een seconde“, vervolgt hij. „Dat is in het bereik van deze componenten het snelste dat tot nu toe mogelijk was.“

Deze componenten of de gebruikte materialen zijn niet alleen interessant voor fotocamera’s en camera’s in smartphones; ze zouden ook kunnen worden toegepast in dimbare raamfolies. Daarbij kan niet alleen zichtbaar licht worden gefilterd, maar afhankelijk van het materiaal ook infrarode straling, die vooral in de zomer de binnenruimtes van een gebouw opwarmt. Bovendien zouden de gepresenteerde filters ook kunnen worden gebruikt in camera’s die in veiligheidskritische toepassingen worden ingezet, bijvoorbeeld bij het bewaken van terreinen. Overbelichting door zonlicht kan daarmee worden voorkomen.

De fysici uit Kaiserslautern hebben het systeem samen met hun collega’s Dr. Marius Ciobanu en professor Dr. Lorenz Walder van de Universiteit Osnabrück ontwikkeld. Financieel werd het werk ondersteund door de Deutsche Forschungsgemeinschaft.

De studie is verschenen in het gerenommeerde vakblad Nature Communications: „Complementary hybrid electrodes for high contrast electrochromic devices with fast response“. Daarnaast werd het door de redactie van het tijdschrift erkend als „Editors’ Highlight“: https://www.nature.com/collections/dmmhtcypsc/content/jacilynn-brant

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

Vragen beantwoord door:
Prof. Dr. Egbert Oesterschulze
Fysica en Technologie van Nanostructuren
Tel.: 0631 205-2680
E-mail: oester[at]physik.uni-kl.de