Полимерные голограммы с «убегающими» наночастицами разработали ученые ИТМО
Наука
Ученые Университета ИТМО разработали новый тип записи голограмм на основе нанокомпозитного полимерного материала. В нем оптический микрорельеф, то есть интерференционная картина, за счет которой и возможна голограмма, возникает благодаря перемещению в материале наночастиц в ходе полимеризации. Химический процесс происходит под воздействием света. В результате образуются области, которые различаются по своим оптическим свойствам. По словам разработчиков технологии, такие голограммы - это более совершенный метод защиты ценных документов, предметов, а также инструмент для создания дизайнерской сувенирной продукции.
Принцип действия голограмм основан на том, что они отражают падающий на них свет точно так же, как и отражал бы объемный предмет, с которого был снят макет голограммы. Технология создания такой системы была разработана еще несколько десятилетий назад. Для этого на предмет светят лазером, а отраженное излучение регистрируется на специальном фотографическом элементе. Возникает как бы два типа электромагнитных волн: одни идут от источника излучения (опорная волна), другие - от объекта записи голограммы (объектная волна). В тех местах фотографического элемента, где совпадают фазы этих двух волн, появляются потемнения, то есть возникает интерференционная картина, состоящая из светлых и темных областей. Теперь, если осветить полученную картину, то волна падающего излучения преобразуется в очень близкую к объектной волне, и человеческий глаз увидит, по сути, сам объект, только в виде голограммы.
Так, чтобы растиражировать голограмму, сначала делают мастер-голограмму, которую записывают лазером на тонком слое фоточувствительного полимера. После этого полимер сушат и удаляют его незасвеченные области. Затем трафарет с отпечатанной голограммой переносят на металлическую подложку, которая уже путем штампования создает микрорельеф на поверхности пластичных изделий. Это очень неполное описание того, как работают голограммы, учитывая, что сегодня существует множество способов записывать их, но главное понять принцип: смотря на голограмму с разных сторон, мы видим почти тот же отраженный свет, который бы видели, разглядывая объект записи голограммы.
Голограммы имеют ряд недостатков. Во-первых, они неустойчивы к высоким температурам выше 50 градусов Цельсия, а во-вторых, сильно поглощают водяные пары из воздуха. Материал, который разработали ученые Университета ИТМО, не обладает этими недостатками. Это голографический нанокомпозитный полимерный материал, в котором под действием света происходит перераспределение наночастиц. Материал представляет собой фоточувствительную акриловую мономерную композицию и может содержать различные красители и наночастицы. Принцип записи основан на перераспределении компонентов материала под действием излучения.
«Сначала наночастицы распределены равномерно по всему материалу. Но под воздействием ультрафиолетового излучения видимого диапазона волны мономер начинается преобразовываться в полимер. Выбор конкретной длины волны зависит от используемого фотоинициатора, то есть вещества, которое начинает индуцировать процесс полимеризации. Под действием света молекулы вещества скрепляются друг с другом, образуя длинные цепочки, то есть полимеризуются и твердеют. При этом скорость полимеризации вещества в разных местах немного отличается, и наночастицы начинают переходить в области, где полимеризация идет медленнее. На практике они переходят из светлых областей материала в темные. После окончания полимеризации они и остаются там, куда перешли. Таким образом, образуется периодическое изменение показателя преломления в объеме материала. В результате создается объемная фазовая дифракционная решетка, за счет чего и появляется голограмма», - прокомментировала Елизавета Шекланова, аспирантка Университета ИТМО, одна из разработчиков технологии.
После этого голограммы устойчивы к температурам в 150 градусов Цельсия, благодаря чему можно делать их ламинирование, также они становятся влагостойкими. Первое свойство обеспечивается за счет использования акрилового мономера, который устойчив к высоким температурам. Влагостойкость также свойственна этому материалу, но наночастицы в нем как бы «закупоривают» пустоты, которые образуются в полимере - таким образом, жидкостям просто некуда попадать.
Среди преимуществ использования нового материала также и то, что записать на нем голограммы можно намного проще. Для этого не нужно находиться в темном помещении, запись делается и при внешних вибрациях типа уличного шума, разговора, а процесс записи занимает всего пять минут. Кроме того, в качестве подложки для голограммы можно использовать пленку или стекло, специальную бумагу.
«То, что полимеризация происходит очень быстро, это еще одно свойство используемого нами материала. Такая закономерность обусловлена химическими процессами. Также скорость записи голограммы зависит от толщины слоя голограммы: чем он тоньше, тем меньше времени нужно», - сказала Елизавета Шекланова
Новая технология может найти применение в изобразительной голографии, для изготовления сувенирной продукции с индивидуальным дизайном, а также в целях защиты документов или других объектов. Голограммы могут содержать несколько изображений в различных ракурсах, сложные кинетические эффекты, скрытые изображения, микротексты, нумерацию, кодировку и другие элементы защиты. При механических повреждениях голограммы, попытках ее снять она полностью разрушается.
Результаты работы научного коллектива Университета ИТМО были представлены на 20-м Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» и отмечены Золотой медалью Салона. Также на разработанную технологию оформлен российский патент, а научные результаты разработки опубликованы в журнале Optics and Spectroscopy.