Drucken in der Nanowelt

Plasmonische-Drucke

Plasmonische Drucke sind erheblich höher aufgelöst als andere gedruckte Bilder – eine Auflösung von 100.000 Bildpunkten pro Zoll (dpi) ist möglich. Die Farben entstehen auf den Oberflächen winziger Metallpartikel, wo Licht Elektronen zum Schwingen anregt. Forscher zeigen jetzt, wie die Farben mit Wasserstoff nachträglich variiert werden können. Die Technik könnte die Animation besonders hochaufgelöster Bilder ermöglichen oder die Entwicklung extrem scharfer Displays. Auch neue Ansätze für das Verschlüsseln von Informationen und für fälschungssichere Authentifizierungsmerkmale liegen nah.

Mitte des 20. Jahrhunderts erhielt das physikalische Phänomen der Plasmonen seinen Namen. Kollektive Schwingungen der freien Elektronen werden durch die Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung angeregt. Je kleiner die Metallteilchen, desto kürzer die Wellenlänge der absorbierten Strahlung. Irgendwann liegt diese Resonanzfrequenz im Bereich des sichtbaren Lichts. Der nicht absorbierte Teil des Spektrums wird gestreut bzw. reflektiert und sorgt für einen Farbeindruck.

Der Effekt wirkt auch beim plasmonische Drucken. Maßgeschneiderte quadratische Metallpartikel werden dabei gezielt auf einem Untergrund angeordnet. Deren Kantenlänge beträgt wenige 100 Nanometer. Das Arrangement ermöglicht eine Auflösung von 100.000 Bildpunkten pro Zoll. Welche Farbe das Metall beim Lichteinfall annimmt, lässt sich über die Größe der Partikel und über ihren Abstand zueinander festlegen – die Stellschrauben für das plasmonische Drucken.

100.000 Bildpunkte pro Zoll

Die Forschungsgruppe „Intelligente Nanoplasmonik“ am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme nutzt diese Farbvariabilität. Sie arbeitet daran, plasmonische Drucke dynamisch zu gestalten. Jetzt stellen die Wissenschaftler einen neuen Ansatz vor, wie Pixel sich auch nach dem Druck farblich beliebig verändern lassen – in definierter Weise.

Dazu verwenden die Stuttgarter Magnesium. Denn Magnesium kann Wasserstoff aufnehmen und zu Magnesiumdihydrid reagieren. Beim kontinuierlichen Übergang von Magnesium in Magnesiumdihydrid ändert sich die Farbe der einzelnen Pixel teilweise mehrfach. Farbwechsel und Geschwindigkeit folgen einem klaren Schema. Es wird von der Größe und dem Abstand der einzelnen Magnesiumteilchen sowie vom Wasserstoffangebot bestimmt.

Bei vollständiger Sättigung mit Wasserstoff verschwindet die Farbe ganz und die Pixel reflektieren das weiße Licht vollständig. Die Wissenschaftler zeigten auch, dass der Prozess umkehrbar ist, indem sie den Wasserstofffluss durch einen Strom aus Sauerstoff ersetzten.

Eine neue Verschlüsselungstechnik

Dieses Prinzip könnte u. a. in einer neuen Verschlüsselungstechnik angewendet werden. Zur Illustration formten die Wissenschaftler verschiedene Buchstaben aus Magnesiumpixeln. Nach Zugabe von Wasserstoff verschwanden einige Buchstaben mit der Zeit. Bei den übrigen hatten die Forscher die Magnesiumpartikel zuvor mit einer hauchdünnen Oxidschicht überzogen. Die Schicht ist für den Wasserstoff undurchdringlich. Das darunter liegende Magnesium bleibt unverändert – und sichtbar. Denn die Schicht ist so dünn, dass Licht sie durchdringen kann.

So könnte man bspw. Botschaft kaschieren, indem man echte und unsinnige Informationen miteinander mischt. Nur der richtige Empfänger wäre in der Lage, die unsinnige verschwinden zu lassen und die eigentliche Nachricht herauszufiltern. Auch gegen Fälschungen könnte die Technik eines Tages eingesetzt werden. Plasmonische Sicherheitsmerkmale auf Banknoten oder auch Medikamentenpackungen könnten später nur unter konkreten, Fälschern nicht bekannten Bedingungen überprüft oder ausgelesen werden.

Bild © MPI für Intelligente Systeme: Der Mikrodruck wird mit Wasserstoff umspült – die einzelnen Farben verändern sich und verschwinden.