L'impression plasmonique produit des résolutions plusieurs fois supérieures aux méthodes d'impression conventionnelles. En impression plasmonique, les couleurs se forment à la surface de minuscules particules métalliques lorsque la lumière fait osciller leurs électrons. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart ont maintenant montré comment les couleurs de ces particules métalliques peuvent être modifiées avec l'hydrogène. La technique pourrait ouvrir la voie à l'animation d'images à très haute résolution et au développement d'affichages extrêmement nets. À la fois, il propose de nouvelles approches pour crypter les informations et détecter les contrefaçons.

Les artisans verriers à l'époque médiévale ont exploité l'effet bien avant même qu'il ne soit connu. Ils ont coloré les magnifiques vitraux des cathédrales gothiques avec des nanoparticules d'or, qui brillait de rouge à la lumière. Ce n'est qu'au milieu du 20e siècle que le phénomène physique sous-jacent a reçu un nom :les plasmons. Ces oscillations collectives d'électrons libres sont stimulées par l'absorption de rayonnement électromagnétique incident. Plus les particules métalliques sont petites, plus la longueur d'onde du rayonnement absorbé est courte. Dans certains cas, la fréquence de résonance, c'est à dire., le maximum d'absorption, appartient au spectre de la lumière visible. La partie non absorbée du spectre est alors diffusée ou réfléchie, créant une impression de couleur. Les particules métalliques, qui apparaissent généralement argentés, cuivré ou doré, puis prenez des couleurs entièrement nouvelles.

Une résolution de 100, 000 points par pouce

Les chercheurs profitent également de l'effet pour développer l'impression plasmonique, dans lequel des particules métalliques carrées sur mesure sont disposées selon des motifs spécifiques sur un substrat. La longueur de bord des particules est de l'ordre de moins de 100 nanomètres (100 milliardièmes de mètre). Cela permet une résolution de 100, 000 points par pouce – plusieurs fois plus que ce que les imprimantes et écrans d'aujourd'hui peuvent atteindre.

Pour les particules métalliques mesurant plusieurs 100 nanomètres de diamètre, la fréquence de résonance des plasmons se situe dans le spectre de la lumière visible. Lorsque la lumière blanche tombe sur de telles particules, ils apparaissent dans une couleur spécifique, par exemple rouge ou bleu. La couleur du métal en question est déterminée par la taille des particules et leur distance les unes des autres. Ces paramètres de réglage ont donc la même fonction en impression plasmonique que la palette de couleurs en peinture.

L'astuce avec la réaction chimique

Le groupe de recherche Smart Nanoplasmonics de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart utilise également cette variabilité de couleur. Ils travaillent actuellement à faire de l'impression plasmonique dynamique. Ils ont maintenant présenté une approche qui leur permet de modifier les couleurs des pixels de manière prévisible, même après l'impression d'une image. "L'astuce consiste à utiliser du magnésium. Il peut subir une réaction chimique réversible dans laquelle le caractère métallique de l'élément est perdu, " explique Laura Na Liu, qui dirige le groupe de recherche de Stuttgart. "Le magnésium peut absorber jusqu'à 7,6 % d'hydrogène en poids pour former de l'hydrure de magnésium, ou MgH2", Liu continue. Les chercheurs enduisent le magnésium de palladium, qui agit comme un catalyseur dans la réaction.

Pendant la transition continue du magnésium métallique en MgH2 non métallique, la couleur de certains pixels change plusieurs fois. Le changement de couleur et la vitesse à laquelle il se déroule suivent un schéma clair. Ceci est déterminé à la fois par la taille et la distance entre les particules de magnésium individuelles ainsi que par la quantité d'hydrogène présente.

En cas de saturation totale en hydrogène, la couleur disparaît complètement, et les pixels reflètent toute la lumière blanche qui leur tombe dessus. En effet, le magnésium n'est plus présent sous forme métallique mais uniquement sous forme de MgH2. D'où, il n'y a pas non plus d'électrons métalliques libres qui peuvent osciller.

L'acte de disparition de Minerva

Les scientifiques ont démontré l'effet d'un tel comportement dynamique des couleurs sur une empreinte plasmonique de Minerva, la déesse romaine de la sagesse, qui portait également le logo de la Société Max Planck. Ils ont choisi la taille de leurs particules de magnésium pour que les cheveux de Minerva apparaissent d'abord rougeâtres, le couvre-chef jaune, la crête de plumes rouge et la couronne de laurier et le contour de son visage bleu. Ils ont ensuite lavé la micro-impression avec de l'hydrogène. Un film en accéléré montre comment les couleurs individuelles changent. Le jaune devient rouge, le rouge devient bleu, et le bleu devient blanc. Après quelques minutes toutes les couleurs disparaissent, révélant une surface blanche au lieu de Minerva.

Les scientifiques ont également montré que ce processus est réversible en remplaçant le flux d'hydrogène par un flux d'oxygène. L'oxygène réagit avec l'hydrogène dans l'hydrure de magnésium pour former de l'eau, de sorte que les particules de magnésium redeviennent métalliques. Les pixels reviennent ensuite dans l'ordre inverse, et à la fin Minerva apparaît dans ses couleurs d'origine.

De la même manière, les chercheurs ont d'abord fait disparaître puis réapparaître la micro image d'un célèbre tableau de Van Gogh. Ils ont également produit des animations complexes qui donnent l'impression de feux d'artifice.

Le principe d'une nouvelle technique de cryptage

Laura Na Liu peut imaginer utiliser ce principe dans une nouvelle technologie de cryptage. Pour le démontrer, le groupe a formé diverses lettres avec des pixels de magnésium. L'ajout d'hydrogène a ensuite fait disparaître certaines lettres au fil du temps, comme l'image de Minerve. « Quant au reste des lettres, une fine couche d'oxyde formée sur les particules de magnésium après avoir exposé l'échantillon à l'air pendant une courte période avant le dépôt de palladium, " explique Liu. Cette couche est imperméable à l'hydrogène. Le magnésium qui se trouve sous la couche d'oxyde reste donc métallique − et visible − car la lumière est capable d'exciter les plasmons dans le magnésium.

De cette façon, il est possible de dissimuler un message, par exemple en mélangeant des informations réelles et absurdes. Seul le destinataire visé est capable de faire disparaître les informations insensées et de filtrer le vrai message. Par exemple, après avoir décodé le message "Hartford" avec de l'hydrogène, seuls les mots « art ou » resteraient visibles. Pour rendre plus difficile le craquage de tels messages cryptés, le groupe travaille actuellement sur un procédé qui nécessiterait une concentration en hydrogène ajustée avec précision pour le déchiffrement.

Liu pense que la technologie pourrait également être utilisée un jour dans la lutte contre la contrefaçon. "Par exemple, des éléments de sécurité plasmoniques pourraient être imprimés sur des billets de banque ou des emballages pharmaceutiques, qui ne pourraient plus tard être vérifiés ou lus que dans des conditions particulières inconnues des contrefacteurs. »

Il ne doit pas nécessairement être de l'hydrogène

Laura Na Liu sait que l'utilisation de l'hydrogène rend certaines applications difficiles et peu pratiques pour une utilisation quotidienne, comme dans les écrans mobiles. « Nous considérons notre travail comme le point de départ d'un nouveau principe :l'utilisation de réactions chimiques pour l'impression dynamique, " dit le physicien de Stuttgart. Il est certainement concevable que les recherches conduisent bientôt à la découverte de réactions chimiques pour les changements de couleur autres que la transition de phase entre le magnésium et le dihydrure de magnésium, par exemple, réactions qui ne nécessitent aucun réactif gazeux.