В новом материале научно-популярного канала Veritasium ведущий демонстрирует удивительный физический феномен — окрашивание прозрачного пластика без использования красителей или пигментов, исключительно с помощью наноразмерных отверстий. В выпуске обсуждается природа света, структурный окрас бабочек Морфо, а также то, как ученые под руководством исследователя по имени Клинт используют эти принципы для создания инновационной защиты банкнот от подделок.
💡 Удивительная природа электромагнитного излучения 0:00
[Image of electromagnetic wave propagation]
Свет окружат нас повсюду, однако его фундаментальные свойства могут показаться контринтуитивными. Большинство людей знает, что свет является формой электромагнитного излучения, но мало кто задумывается над тем, насколько необычна эта структура.
По сути, свет представляет собой непрерывно меняющуюся комбинацию электрических и магнитных полей, которые колеблются и распространяются в пространстве со скоростью света.
Для генерации такой волны необходимо заставить электроны совершать колебательные движения, что и создает осциллирующие поля. Чтобы понять масштабы этого явления, автор канала Veritasium предлагает оценить размер световой волны.
Например, длина волны зеленого света составляет всего одну двухтысячную долю миллиметра (около 500 нанометров), что чрезвычайно мало, но вполне сопоставимо с некоторыми природными структурами.
🦋 Структурный цвет: секрет бабочки Голубая Морфо 1:22
Природа давно научилась использовать микроскопические масштабы световых волн в своих целях. Ярким примером служит бабочка Голубая Морфо (Blue Morpho), обладающая переливающимися металлически-синими крыльями.
По словам ведущего, ведущая научная теория объясняет такую окраску необходимостью предупреждать хищников: яркий блеск сигнализирует птицам, что бабочка летит слишком быстро и ловить ее в джунглях бессмысленно.
Самое удивительное заключается в том, что этот великолепный синий цвет создан вовсе не пигментом. Окрас бабочки Морфо имеет исключительно структурную природу и формируется за счет крошечных чешуек и отверстий, которые улавливают свет и отражают только синий спектр.
Если посмотреть на крыло бабочки на просвет, направив источник света сзади, то синий цвет полностью исчезнет, поскольку сами крылья практически прозрачны.
🛡️ Наноотверстия на страже безопасности банкнот 2:27
Современные ученые, среди которых исследователь по имени Клинт, пытаются воспроизвести подобные природные структуры для создания высокотехнологичных элементов защиты банкнот, банковских карт и билетов. Технология основана на использовании тонкого прозрачного куска пластика, в котором выбиты микроскопические отверстия.
Характеристики этих отверстий поражают:
- Глубина составляет около 100 нанометров.
- Диаметр также равен примерно 100 нанометрам.
- Каждое небольшое изображение, видимое на пластике, содержит около 500 миллионов таких отверстий.
Принцип работы этой технологии во многом аналогичен оптическим эффектам, наблюдаемым на мыльной пленке.
🧼 Оптические фокусы мыльного пузыря и субтрактивный цвет 3:07
Если внимательно изучить мыльный пузырь, то в нем невозможно увидеть все цвета радуги — человеческий глаз различает лишь голубой (cyan), пурпурный (magenta) и желтый (yellow) цвета. Причина кроется в том, что мыльная пленка работает по принципу удаления (вычитания) определенных цветов из полного спектра видимого света.
В зависимости от толщины мыльного слоя конкретные длины волн нейтрализуются.
Например, чтобы увидеть пурпурный цвет, необходимо убрать зеленый свет из спектра. Свет, отражающийся от передней поверхности мыльной пленки, вступает в интерференцию со светом, отражающимся от ее задней поверхности.
В результате световые волны длиной около 500 нанометров (зеленый свет) взаимно уничтожаются, а оставшаяся смесь спектра воспринимается нами как красивый пурпурный цвет.
🏭 Промышленное производство и прочность наноуровня 4:00
Для практического внедрения технологии ученым требовалось найти решения, совместимые с существующими промышленными процессами, такими как трафаретная или ротационная печать. В таком процессе массивный вал полиграфического пресса должен штамповать наноструктуры прямо на движущуюся ленту-субстрат.
На первый взгляд, создание и прессование таких микроскопических элементов кажется невыполнимой задачей из-за их потенциальной хрупкости.
Однако Клинт опровергает это заблуждение, заявляя, что малый размер не делает структуры хрупкими. Высокую прочность разработанных элементов исследователь объясняет низким индексным соотношением (aspect ratio), то есть отношением высоты к ширине.
В то время как структуры с высоким соотношением (например, 10 к 1) длинные и тонкие, что делает их хрупкими, идеальным вариантом является соотношение 1:1 или 1:2.
Ученые создают элементы следующих параметров:
- Ширина: 200 нанометров.
- Высота: от 300 до 400 нанометров.
Благодаря таким пропорциям наноструктуры получаются невероятно прочными и устойчивыми к механическому воздействию пресса.
🇦🇺 Технологии будущего для австралийского доллара 5:09
На сегодняшний день австралийские банкноты изготавливаются из пластика и имеют небольшое прозрачное окошко, разработанное специально для борьбы с фальшивомонетчиками. Автор Veritasium предполагает, что в будущем вместо обычного окошка на купюрах могут появиться сотни миллионов наноразмерных отверстий.
Поскольку именно австралийцы первыми изобрели полимерные банкноты, ведущий поинтересовался у Клинта, ведет ли его команда переговоры с австралийскими властями о внедрении технологии. Однако исследователь предпочел сохранить коммерческую тайну и лаконично ответил, что не может это комментировать.
