Głównym zadaniem powłok antyrefleksyjnych jest minimalizacja odbicia powierzchniowego w zakresie światła widzialnego. Dzięki takim pokryciom obiekty przepuszczają do użytkownika więcej światła i wydają się bardziej przejrzyste. Teraz, naukowcy z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii, Cornell University, University of South Carolina w Stanach Zjednoczonych oraz CSM Instruments w Szwajcarii opracowali tanie, samooczyszczające powłoki antyodblaskowe inspirowane okiem ćmy. Pokrycie może znaleźć potencjalne zastosowanie w elewacjach, oknach budynków oraz w ogniwach słonecznych o zwiększonej wydajności.
Powłoki antyrefleksyjne (z ang. antireflective or anti-reflection, AR) to rodzaj pokrycia optycznego nakładanego na powierzchnie szkła lub polimerów w celu zmniejszenia odbicia. Poprawiają one wydajność systemu poprzez maksymalne wykorzystanie energii świetlnej. W układach złożonych, np. teleskopach redukcja refleksów wpływa również na poprawę kontrastu i ostrości obrazu. W innych aplikacjach, takich jak powłoki na soczewkach korekcyjnych sprawiają dodatkowo, że oczy noszącego są bardziej widoczne dla innych. Pokrycie AR może także zmniejszać odblask szkieł lornetek lub celowników optycznych.
Powłoki przeciwodblaskowe składają się z jednej lub kilku cienkich warstw substancji naniesionych na powierzchnię elementu optycznego. Często działają one jako zabezpieczenie przed czynnikami atmosferycznymi, samooczyszczające powierzchnie o właściwościach katalitycznych oraz chronią przed osadzaniem wody i tłuszczy (powłoki hydrofobowe i oleofobowe). Technologia inspirowana naturą, a w szczególności okiem ćmy (z ang. moth eye) opiera się na zastosowaniu porowatych, nanostrukturalnych warstw zbudowanych z sześciokątnych guzków. Obiekty o średnicy 300 nm i grubości około 200 nm pozwalają ćmom dobrze widzieć w ciemności i określać położenie drapieżników. Taki rodzaj biomimetycznej powłoki przeciwodblaskowej spełnia swoje zadanie, ponieważ guzy mają wymiary mniejsze niż długości fal światła widzialnego.
Obecne stosowane powłoki konstruowane są najczęściej ze zwartych warstw materiałów osadzanych próżniowo. Chociaż technologie te są wykorzystywane powszechnie od lat, to daleko im do doskonałości. Wytworzenie pokrycia o odpowiednich właściwościach optycznych jest stosunkowo kosztowne i opłacalne jedynie w produkcji elementów o małych powierzchniach (soczewki kontaktowe lub części do urządzeń). Istnieją również inne, mniej popularne metody oparte na cienkich porowatych warstwach z polimerów lub materiałach nieorganicznych. Pierwsze dają dobre wyniki optyczne, ale są mechanicznie nietrwałe. Kolejne są dużo bardziej stabilne, ale łatwo ulegają zanieczyszczeniu, przez co tracą swoje własności optyczne.
Rozwiązanie zaproponowane przez międzynarodowy zespół naukowców polegało na zbudowaniu struktury przypominającej wyglądem oko ćmy z odpowiednio dobranych materiałów. Badacze przygotowali porowate podłoże z kopolimeru blokowego PI-b-PEO (z ang. polyisopree-b-ethylene oxide) oraz mieszankę z wstępnie uformowanych nanokryształów dwutlenku tytanu i krzemionki (SiO2) na bazie zol-żel. Następnie, warstwy nanoszono na przygotowane szkiełka za pomocą powlekania obrotowego (z ang. spin coating). Osadzona powierzchnia kopolimeru pokryta była nieco większymi stożkami niż w przypadku oka ćmy, dzięki czemu można było włączyć nanokryształy TiO2 w strukturę. Hybrydowy roztwór mieszano uprzednio przez godzinę, rozcieńczając go w miarę potrzeby. Końcowym etapem było usunięcie komponentów organicznych z powłok przez reaktywne trawienie jonowe w plazmie tlenowej.
Kryształy TiO2 posiadają właściwości katalityczne. Gdy światło na nie pada, rozkładają one brud i zanieczyszczenia pokrywające strukturę na dwutlenek węgla i wodę, która odparowuje. Kolejną zaletą elementów z dwutlenku tytanu jest ich wysoki współczynnik załamania światła, który w połączeniu z niskim współczynnikiem refrakcji w krzemionce korzystnie wpływa na obniżenie odbicia fal widzialnych. Już pierwsze badania wykazały, że nanokryształy potrafiły usunąć z powierzchni związki chemiczne pozostawione w odciskach palców w ciągu 90 minut. Według naukowców pokrycie jest zdolne do rozłożenia większości standardowych węglowodorów, które zatykają porowate powłoki przeciwodblaskowe. Powłoka nie łuszczyła się, efektywnie przylegając do podłoża w wyniku trwałego wiązania zol-żel.
Innowacyjność badania polegała na skutecznym włączeniu nanocząstek Tio2 do powłok przeciwodblaskowych. Hybrydowy materiał nadaje się obecnie tylko do zastosowań zewnętrznych, gdyż wymaga światła ultrafioletowego do aktywacji procesu fotokatalizy. Zespół planuje kolejne testy w celu sprawdzenia właściwości powłoki w pomieszczeniach. Niedrogie materiały oraz proste metody produkcji umożliwiają wykorzystanie samooczyszczających, antyrefleksyjnych pokryć w budynkach ze szklanymi elewacjami, elastycznych polimerach oraz ogniwach słonecznych.
Źródło:
[1] Self-Cleaning Antireflective Optical Coatings. Stefan Guldin, Peter Kohn, Morgan Stefik, Juho Song, Giorgio Divitini, Fanny Ecarla, Caterina Ducati, Ulrich Wiesner, and Ullrich Steiner. Nano Letters 2013 13 (11), 5329-5335 DOI: 10.1021/nl402832u
[2] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl402832u [26.02.2014]
[3] http://www.enterprise.cam.ac.uk/media/uploads/files/1/information-sheet-5.pdf [26.02.2014]
[4] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl402832u/suppl_file/nl402832u_si_001.pdf [26.02.2014]
[5] http://www.enterprise.cam.ac.uk/news/2014/2/smart-glass/ [26.02.2014]
[6] Glass Building by Sonny Abesamis (avrene), flickr.com, CC BY 2.0