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Materiali che non riflettono la luce
I riflessi indesiderati limitano le prestazioni delle tecnologie basate sulla luce, come celle solari, obiettivi per fotocamere e diodi a emissione di luce (LED). Nelle celle solari, ad esempio, i riflessi significano meno luce che può essere convertita in elettricità. Ora i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), a Troy, NY, e il produttore di semiconduttori Crystal IS, a Green Island, NY, hanno sviluppato un nuovo tipo di rivestimento nanostrutturato che può virtualmente eliminare i riflessi, portando potenzialmente a notevoli miglioramenti nei dispositivi ottici. L'opera è pubblicata nel numero attuale di Fotonica della natura .
Non vedendo riflesso: Due pezzi di nitruro di alluminio, un materiale semiconduttore che può essere utilizzato nei dispositivi emettitori di luce, riflettono diverse quantità di luce. Il pezzo in alto riflette il 12 percento della luce. Un nuovo rivestimento antiriflesso sul pezzo inferiore riduce la riflessione a circa lo 0,1 percento. La sfumatura bluastra è dovuta al fatto che il rivestimento consente a più luce blu di riflettere. Tali rivestimenti potrebbero migliorare molti dispositivi ottici.
I ricercatori hanno dimostrato di poter prevenire quasi tutti i riflessi di un'ampia gamma di lunghezze d'onda della luce facendo crescere barre su nanoscala proiettate ad angoli specifici da una superficie. Al contrario, i rivestimenti antiriflesso convenzionali funzionano meglio solo per colori specifici, motivo per cui, ad esempio, gli occhiali con tali rivestimenti mostrano ancora deboli riflessi rossi o verdi. Fred Schubert, professore di fisica e ingegneria elettrica, informatica e dei sistemi presso RPI e uno degli autori dello studio, afferma che il materiale blocca i riflessi di quasi tutti i colori dello spettro visibile, nonché alcuni raggi infrarossi, e riduce anche i riflessi della luce proveniente da più direzioni rispetto ai rivestimenti convenzionali. Di conseguenza, afferma, la riflessione totale è 10 volte inferiore rispetto ai rivestimenti attuali.
Applicato a una cella solare, il nuovo rivestimento aumenterebbe la quantità di luce assorbita di pochi punti percentuali e la convertirebbe in elettricità, afferma Schubert. Un miglioramento più notevole del 40% potrebbe essere visto nei LED, dice, in cui una grande quantità di luce generata da un semiconduttore è tipicamente intrappolata all'interno del dispositivo dai riflessi. Il lavoro fa parte di uno sforzo crescente tra i ricercatori per alterare le proprietà dei materiali, come le loro proprietà ottiche, controllando le strutture su nanoscala.
Per creare superfici meno riflettenti, gli ingegneri RPI hanno creato un rivestimento poroso multistrato che facilita la transizione quando la luce si sposta dall'aria a un materiale solido o quando la luce viene emessa da un semiconduttore in un LED. La riflettività è correlata alla differenza tra la quantità che due sostanze, come l'aria e il vetro, rifrangono o piegano la luce. Riducendo la differenza si riduce la riflessione dove due materiali si incontrano. Nel nuovo rivestimento, ogni strato successivo piega maggiormente la luce quando la luce si sposta dall'aria al substrato. Allo stesso modo, come nell'esempio di un LED, la luce che emerge da un semiconduttore viene piegata meno in ogni strato successivo fino a raggiungere l'aria.
La teoria alla base di ciò è nota da decenni, afferma Steven Johnson, professore di matematica applicata al MIT, ma la sfida è stata fabbricare una struttura abbastanza porosa e abbastanza piccola da funzionare con le corte lunghezze d'onda della luce visibile.
I ricercatori dell'RPI hanno realizzato una struttura così porosa depositando materiali su una superficie per creare barre su scala nanometrica. Inclinando la superficie è possibile far crescere i nanorod ad angolo. I ricercatori hanno scoperto che modificando l'angolo delle nanobarre, possono controllare il modo in cui le nanobarre piegano la luce, l'indice di rifrazione. L'aria ha un indice di rifrazione di quasi uno. I ricercatori sono stati in grado di creare uno strato superiore di nanobarre con quello che Schubert dice essere un indice senza precedenti di 1,05. (Per confronto, il vetro ha un indice di rifrazione di 1,45 e un semiconduttore che emette luce, nitruro di alluminio, ha un indice di circa 2,05.) Ogni strato successivo ha un indice di rifrazione più alto fino a quando l'ultimo strato non corrisponde quasi al substrato. I due strati superiori incorporano nanobarre di vetro. I tre inferiori sono realizzati in titanio. I ricercatori hanno testato il rivestimento sul nitruro di alluminio, ma dovrebbe funzionare su una varietà di substrati, afferma Schubert.
Abbiamo sviluppato una nuova classe di materiali che ha un indice di rifrazione inferiore a qualsiasi altro materiale ottico a film sottile disponibile in passato, afferma Schubert. Poiché tutto in ottica dipende dall'indice di rifrazione, afferma che potrebbe avere applicazioni diverse dai rivestimenti antiriflesso. In effetti, le nanobarre potrebbero essere utilizzate per fare l'opposto, creando specchi molto riflettenti accoppiando strati di nanobarre che piegano la luce in modo molto diverso, piuttosto che creando una transizione graduale.
Schubert sta lavorando con una società spin-off per commercializzare la tecnologia e prevede che i prodotti potrebbero essere disponibili in tre-cinque anni. La tecnologia dovrà affrontare la concorrenza con i rivestimenti convenzionali poco costosi e con altri nuovi materiali nanostrutturati. Questo è un lavoro molto elegante e bellissimo, afferma Michael Rubner, professore di scienza e ingegneria dei materiali al MIT. Sono stati in grado di ottenere valori di indice di rifrazione eccezionalmente bassi per un rivestimento. La domanda chiave sarà sempre il costo rispetto alle prestazioni.