Zmiana przepuszczalności promieni świetlnych w ciągu sekund

Na zdjęciu widoczny jest nowy element, elektrochromowa tęczówka. Posiada trzy stopnie przesłony. Na zdjęciu widoczny jest tylko środkowy stopień włączony (czarny pierścień). W przeciwieństwie do zwykłych mechanicznych przesłon, środkowa przesłona może być włączana bez wpływu na pozostałe. Za pomocą zacisków podawane są napięcia, aby każdą przesłonę można było elektrycznie sterować. Czarny kolor na zdjęciu (oprócz pierścienia) to strukturalna warstwa złotej elektrody. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Profesor Dr. Egbert Oesterschulze (re.) i jego doktorant Carsten Kortz opracowali nowy filtr we współpracy z partnerami. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Robienie dobrego zdjęcia w południowym słońcu jest wyzwaniem nawet dla doświadczonych fotografów. Pomóc może tutaj elektrycznie sterowany filtr, który opracowali fizycy z Kaiserslautern we współpracy z partnerami. Ilość przepuszczanego światła jest regulowana poprzez ustawienie stopnia barwienia. Wykorzystuje się molekuły elektrochromowe (EC) na nanopartikach, które zmieniają swoje właściwości optyczne w mniej niż sekundę, gdy zostanie przyłożone napięcie elektryczne. W przypadku filtrów EC jest on najbardziej kontrastowym i najszybszym elementem. Jest to szczególnie interesujące na przykład dla mikrooptyki w smartfonach. Naukowcy przedstawiają swoją pracę w czasopiśmie Nature Communications.

Termin „transmisja” opisuje przepuszczalność materiału dla optycznych fal świetlnych. Fizycy pod kierownictwem profesora dr. Egberta Oesterschulze, Carstena Kortza i Alexandra Heina z Politechniki Kaiserslautern (TUK) opracowali nowy filtr, który może zmieniać tę przepuszczalność w mniej niż sekundę.

„W naszej technice stosujemy dwie dopasowane elektrody, które wzmacniają swoje zabarwienie w możliwie najlepszy sposób”, mówi profesor Oesterschulze, kierujący Katedrą Fizyki i Technologii Nanostruktur na TUK. Co jest w tym szczególnego: na elektrodach znajdują się warstwy nanopartików z specjalnie dopasowanymi molekułami. Posiadają one wyjątkowe właściwości: są elektrochromowe. To znaczy, że zmieniają swoje właściwości optyczne, gdy na elektrody zostanie przyłożone lub zmienione napięcie. „Na jednej elektrodzie dochodzi do utleniania, a na drugiej do redukcji”, mówi profesor z Kaiserslautern. „Elektrony przemieszczają się z jednej elektrody na drugą.” W wyniku tego molekuły na nanopartikach się zabarwiają. Ten stan zabarwienia pozostaje bez dalszego zasilania energią i może być całkowicie usunięty przez odwrócenie polaryzacji napięcia.

Naukowcom udało się w ich filtrze przyspieszyć ten elektrochemiczny proces dla tego rodzaju materiałów i jednocześnie uzyskać bardzo dobry kontrast zabarwienia. „Trwa to mniej niż sekundę”, kontynuuje. „To jak dotąd najszybsze osiągnięcie w tej dziedzinie tych elementów.”

Te elementy lub użyte materiały są interesujące nie tylko dla aparatów fotograficznych i kamer w smartfonach; można je również zastosować w zakresie regulowanych szyb okiennych. Przy tym można nie tylko filtrować światło widzialne, ale także, w zależności od materiału, promieniowanie podczerwone, które szczególnie latem nagrzewa wnętrza budynków. Ponadto, przedstawione filtry mogą znaleźć zastosowanie w kamerach używanych w zastosowaniach bezpieczeństwa, na przykład do monitorowania terenów. Można zapobiec prześwietleniu przez nasłonecznienie.

Fizycy z Kaiserslautern opracowali ten system wspólnie z kolegami z badawczymi dr. Mariuszem Ciobanu i profesorem dr. Lorenzem Walderem z Uniwersytetu w Osnabrück. Pracę finansowo wspierała Niemiecka Fundacja Badawcza (Deutsche Forschungsgemeinschaft).

Badanie ukazało się w renomowanym czasopiśmie Nature Communications: „Complementary hybrid electrodes for high contrast electrochromic devices with fast response”. Dodatkowo zostało wyróżnione przez redakcję czasopisma jako „Editors` Highlight”: https://www.nature.com/collections/dmmhtcypsc/content/jacilynn-brant

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

Odpowiadający na pytania:
Prof. dr. Egbert Oesterschulze
Fizyka i Technologia Nanostruktur
Tel.: 0631 205-2680
E-mail: oester[at]physik.uni-kl.de