En projetant une lumière blanche sur une lame de verre pointillée de millions de minuscules piliers de dioxyde de titane, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collaborateurs ont reproduit avec une fidélité étonnante les teintes lumineuses et les nuances subtiles de "Girl With a Pearl Earring, " Le chef-d'œuvre de l'artiste néerlandais Johannes Vermeer. L'approche a des applications potentielles pour améliorer les communications optiques et rendre la monnaie plus difficile à contrefaire.

Par exemple, en ajoutant ou en laissant tomber une couleur particulière, ou longueur d'onde, de lumière voyageant dans une fibre optique, les scientifiques peuvent contrôler la quantité d'informations transportées par la fibre. En modifiant l'intensité, les chercheurs peuvent maintenir la luminosité du signal lumineux lorsqu'il parcourt de longues distances dans la fibre. L'approche pourrait également être utilisée pour « peindre » le papier-monnaie avec des détails de couleur petits mais complexes qu'un contrefacteur aurait beaucoup de mal à falsifier.

D'autres scientifiques ont déjà utilisé de minuscules piliers, ou nanopiliers, de différentes tailles pour piéger et émettre des couleurs spécifiques lorsqu'il est éclairé par une lumière blanche. La largeur des nanopiliers, qui mesurent environ 600 nanomètres de hauteur, ou moins d'un centième du diamètre d'un cheveu humain, détermine la couleur spécifique de la lumière qu'un pilier piège et émet. Pour un test exigeant d'une telle technique, les chercheurs ont examiné dans quelle mesure les nanopiliers reproduisaient les couleurs d'une peinture familière, comme le Vermeer.

Bien que plusieurs équipes de chercheurs aient réussi à disposer des millions de nanopiliers dont les tailles ont été adaptées pour transmettre le rouge, lumière verte ou bleue pour créer une palette spécifique de couleurs de sortie, les scientifiques n'avaient aucun moyen de contrôler l'intensité de ces couleurs. L'intensité, ou la luminosité, de couleurs détermine la lumière et l'ombre d'une image - son clair-obscur - et améliore la capacité de transmettre des impressions de perspective et de profondeur, une caractéristique de signature du travail de Vermeer.

Maintenant, en fabriquant des nanopiliers qui non seulement piègent et émettent des couleurs de lumière spécifiques, mais modifient également sa polarisation à des degrés divers, les chercheurs du NIST et leurs collaborateurs de l'Université de Nanjing en Chine ont pour la première fois démontré un moyen de contrôler à la fois la couleur et l'intensité. Les chercheurs, qui incluent Amit Agrawal et Wenqi Zhu du NIST et de l'Université du Maryland à College Park, et Henri Lezec du NIST, décrivent leurs découvertes dans le numéro du 20 septembre de la revue Optique , mis en ligne aujourd'hui.

Dans leur nouveau travail, l'équipe du NIST a fabriqué sur une lame de verre des nanopiliers de dioxyde de titane qui avaient une section transversale elliptique plutôt que circulaire. Les objets circulaires ont un seul diamètre uniforme, mais les objets elliptiques ont un grand axe et un petit axe.

Les chercheurs ont conçu les nanopiliers de sorte qu'à différents endroits, leur axe long soit plus ou moins aligné avec la polarisation de la lumière blanche entrante. (La lumière polarisée est une lumière dont le champ électrique vibre dans une direction particulière lors de son voyage dans l'espace.) Si le grand axe du nanopilier était exactement aligné avec la direction de polarisation de la lumière entrante, la polarisation de la lumière transmise n'est pas affectée. Mais si le grand axe était tourné d'un certain angle, par exemple 20 degrés, par rapport à la direction de polarisation de la lumière entrante, le nanopilier a fait pivoter la polarisation de la lumière incidente de deux fois cet angle - dans ce cas, 40 degrés.

A chaque emplacement sur la lame de verre, l'orientation d'un nanopilier fait pivoter la polarisation du rouge, la lumière verte ou bleue transmise par une quantité spécifique.

Par lui-même, la rotation donnée par chaque nanopilier ne modifierait en rien l'intensité de la lumière transmise. Mais en tandem avec un filtre polarisant spécial placé à l'arrière de la lame de verre, l'équipe a atteint cet objectif.

Le filtre était orienté de manière à empêcher le passage de la lumière ayant conservé sa polarisation d'origine. (Les lunettes de soleil fonctionnent à peu près de la même manière :les verres agissent comme des filtres polarisés verticalement, réduisant l'intensité de l'éblouissement polarisé horizontalement.) Ce serait le cas pour n'importe quel endroit sur la lame de verre où un nanopilier aurait laissé inchangée la polarisation de la lumière incidente. Une telle région se projetterait comme une tache sombre sur un écran distant.

Aux endroits où un nanopilier avait fait tourner la polarisation de la lumière blanche incidente, le filtre permettait une certaine quantité de rouge, feu vert ou bleu pour passer. La quantité dépendait de l'angle de rotation; plus l'angle est grand, plus l'intensité de la lumière transmise est élevée. De cette façon, l'équipe, pour la première fois, contrôlé à la fois la couleur et la luminosité.

Une fois que les chercheurs du NIST ont démontré la conception de base, ils ont créé une copie numérique d'une version miniature de la peinture de Vermeer, environ 1 millimètre de long. Ils ont ensuite utilisé les informations numériques pour guider la fabrication d'une matrice de millions de nanopiliers. Les chercheurs ont représenté la couleur et l'intensité de chaque élément de l'image, ou pixel, du Vermeer par un groupe de cinq nanopiliers - un rouge, deux verts et deux bleus—orientés à des angles spécifiques par rapport à la lumière entrante. En examinant l'image millimétrique que l'équipe avait créée en projetant de la lumière blanche à travers les nanopiliers, les chercheurs ont découvert qu'ils reproduisaient "La fille à la perle" avec une extrême clarté, capturant même la texture de la peinture à l'huile sur toile.

« La qualité de la reproduction, capturer les gradations de couleurs subtiles et les détails des ombres, est tout simplement remarquable, ", a déclaré Agrawal, chercheur au NIST et co-auteur de l'étude. "Ce travail relie de manière assez élégante les domaines de l'art et de la nanotechnologie."

Pour construire les nanopiliers, Agrawal et ses collègues ont d'abord déposé une couche d'un polymère ultrafin sur du verre, à peine quelques centaines de nanomètres d'épaisseur. En utilisant un faisceau d'électrons comme une perceuse miniature, ils ont ensuite creusé un ensemble de millions de petits trous de dimensions et d'orientations variables dans le polymère.

Puis, en utilisant une technique dite de dépôt de couche atomique, ils ont remblayé ces trous avec du dioxyde de titane. Finalement, l'équipe a gravé tout le polymère entourant les trous, laissant derrière eux des millions de minuscules piliers de dioxyde de titane. La dimension et l'orientation de chaque nanopilier représenté, respectivement, la teinte et la luminosité de l'image finale au millimètre.

La technique des nanopiliers peut facilement être adaptée pour transmettre des couleurs de lumière spécifiques, avec des intensités particulières, communiquer des informations via une fibre optique, ou pour imprimer un objet de valeur avec une miniature, marque d'identification multicolore qui serait difficile à reproduire.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.