Из золотых наночастиц сделали самые маленькие в мире пиксели

Во всех современных дисплеях используются пиксели — отдельные элементы, которые могут светиться заданным цветом. Чем они меньше, тем выше разрешение дисплея и качество картинки. Однако после определенного предела уменьшать пиксели технически сложно: просто создать светящуюся точку можно массой разных способов, но добиться управления цветом гораздо сложнее. В 2018 году самые маленькие пиксели среди анонсированных устройств были у микродисплея от Sony — их размер составлял 6,3 микрометра.

В новой публикации в Science Advances описывается контролируемое свечение наночастиц, диаметр которых не превышал 0,02 мкм, то есть был на три порядка меньше дисплея от Sony. Вплотную друг к другу их, правда, разместить нельзя, да это и бессмысленно, поскольку длина волны света в любом случае составляет порядка половины микрометра. Дело в том, что, когда какой-либо предмет меньше длины волны, он становится невидим не только для невооруженного глаза, но и для оптического микроскопа. Когда такой предмет светится или отражает свет (как новые пиксели), со стороны он все равно кажется пятном большего размера.

Читайте также: Вышли из матрицы. Российские инженеры избавились от пикселей

Представленная специалистами Кембриджского университета разработка доводит пиксели до их логического предела: они настолько малы, что в выключенном состоянии будут не видны в оптический микроскоп. Как сообщили авторы, «поверхность в целом меняет цвет даже тогда, когда наши пиксели занимают одну десятую часть».

Рекордные пиксели составили, поместив  золотые наночастицы внутрь капсулы из токопроводящего полимера полианина. Ученые разместили эти частицы на полированной золотой пластине, а затем осветили белым светом, который отражался не равномерно, а избирательно. Это происходило за счет наноплазмонного резонанса — эффекта, который связан с колебаниями электромагнитного поля вместе с носителями заряда внутри проводника. Падающая электромагнитная волна, то есть свет, взаимодействовала с проводящими ток наночастицами, в результате чего определялось, волны какой длины будут отражаться от всей поверхности. Ну а длина волны однозначно задавала цвет.

Ученые показали, что процессом избирательного рассеяния белого света можно управлять. Меняя напряжение между наночастицами и золотой подложкой, они добились того, что цвет отдельных частиц изменялся, создав тем самым отдельные пиксели. Собрать из них полноценный дисплей пока не получилось, но предварительные испытания показали высокий потенциал технологии.

Прикладывая переменное напряжение, исследователи доказали, что с помощью этих пикселей можно быстро переключать цвет. Следовательно, будущий дисплей не столкнется с проблемой медленного обновления картинки.

Далее ученые измерили, сколько энергии их разработка будет тратить на изменение цвета. Оказалось, что сдвиг цвета на 1 нанометр требует всего 0,2 фемтоджоуля (то есть 10^–15 джоуля) энергии. При таких затратах полное обновление всего экрана с разрешением 1920х1080 потребует менее одной десятимиллионной джоуля. Сами ученые характеризуют энергопотребление своего детища как «ультранизкое».

Еще одно достоинство новой разработки — это очень малая, меньше микрометра, толщина и потенциальное масштабирование технологии. С другой стороны, готовых устройств авторы работы пока не представили, а испытания прототипов пока ограничиваются отдельными линейками из пикселей, которые проработали в совокупности несколько месяцев. На пути к коммерческим образцам с соответствующим сроком службы, ценой и качеством картинки еще много препятствий, но, если их удастся преодолеть, мы увидим универсальное покрытие, которое сможет менять свой цвет произвольным образом.

Использование золота само по себе вряд ли станет серьезным препятствием: при наноразмерных масштабах драгоценного металла на частицы требуется немного, а подложка в опытах была из позолоченного пластика, а не из сплошного листа золота.