Valgushajutid – uuenduslik plastkile toetab uusi funktsioone

Maailm vajab valgust. Valguskiirte optimaalne ja tõhus juhtimine on eriti tähtis LED-televiisorite, autode ja päikesepaneelide puhul. Bayer MaterialScience’i teadlased on välja töötanud kile, mis juhib ja vormib valgust lihtsalt ja paindlikult. Vaid mõne mikromeetri paksune valgust juhtiv plastkiht võib kuvarite ja optikaseadmete maailmas suuri muutusi kaasa tuua. Kile koondab valgust, sädeleb värvirikka hologrammina või paneb monitorid eredalt särama.

Hajutamine, kimpu kogumine, koondamine, peegeldamine või ümber nurga suunamine – valgust on keeruline soovitud suunas juhtida ning tavaliselt on selleks vaja erilisi läätsi või peegleid, mis võimaldavad valgust auto esitulede valgusvihu moodi laialihajuvalt suunata või päikesevalgust ühte pisikesse punkti koondada. Sellised optikasüsteemid on aga tundlikud ja tavaliselt ka kallid. Bayer MaterialScience’i teadlased on nüüd välja töötanud revolutsioonilise valgusjuhtimistehnoloogia: paberõhukese kile, mis juhib valgust nagu täppisläätsesüsteem. Uut tüüpi plastist valmistatud kile on ainult mõne mikromeetri paksune. See multitalent ei püüa mitte ainult tõhusalt päikesekiiri, vaid paneb ka kuvaril värvid eredalt särama.

Bayeri arendustööga tegelevad teadlased suutsid sellele õhukesele plastkilele anda väga erilised optilised omadused, kasutades üht füüsikatrikki: „Me muudame sihipäraselt materjali murdumisnäitajat,” seletab Bayer MaterialScience’i holograafiapädevuskeskuses töötav dr Thomas Fäcke, kes koos oma kolleegidega kile välja töötas. Valguskiired muudavad teistsuguste murdumisnäitajatega materjale läbides alati suunda. Üks lihtne näide: „Sidrunisiirupi ja kraanivee kokkusegamisel näib alguses, nagu oleksid segu sees hägused triibud, sest valgus murdub kahe vedeliku vahel,” lausub Fäcke.

Sihtmuutused refraktsioonis

Bayeri teadlased loovad plastis süstemaatiliselt eri molekulitihedusega mikroskoopilisi alasid, muutes seeläbi nende konkreetsete alade murdumisnäitajat. Seda meetodit kasutades on materjalieksperdid leiutanud kile, millesse saab sisse kirjutada täpselt määratletud mustreid – nii-öelda väga täpseid triipe. 2009. aastal andis Saksa liidumaa Nordrhein-Westfalen selle kile väljatöötamise eest holograafiameeskonda esindavale Bayeri teadlasele dr Friedrich Bruderile innovatsiooniauhinna.

Bruder ja tema kolleegid optika ja pindade pädevuskeskusest ( ing.k. Optics and Surfaces Competence Center) uurivad laserkiirte mõju kilele. Laserkiirte asetus määrab selle, kuidas molekulid hiljem kile sees jaotuvad. Täpse mustri loomiseks panevad Bayeri spetsialistid kaks eri laserikiirt kattuma. Seda protsessi tuntakse interferentsina. Sellist valguslainete kattumist saab kasutada igasuguse soovitud lainemustri (ehk interferentsimustri) tekitamiseks. Need mustrid kantakse üle materjalile, kus need annavad kilele erilised optilised omadused (Pilt 1.). Seda meetodit kasutades on võimalik luua koguni spetsiaalseid värviefekte.

„Lihtsat kokkupuuteprotsessi kasutades saame kilesse sisse kirjutada isegi holograafilisi ja kolmemõõtmelisi pealispindu ja logosid,” sõnab Fäcke. Eksperdid nimetavad neid reljeefhologrammideks. Tänu sellele eriomadusele pakub uus kile hetkel erilist huvi just erinevate sektorite turvaekspertidele.

Järeletehtud tooted ei põhjusta mitte ainult miljardite dollarite suurust üleilmset majanduskahju, vaid võltsitud ravimid võivad lausa inimeste elu ohtu seada. Tänapäeval ei ole peaaegu ükski margitoode võltsimise ja tootepiraatluse eest kaitstud. Seetõttu on spordijalatsite, tarkvara ja eksklusiivsete ülikondade tootjad juba pikka aega kirevaid ja sädelevaid hologrammkleepse kasutanud, et nõnda oma tootemarki võltsimise eest kaitsta. Ent need sädeleva vikerkaarelaadse efektiga kleepsud ei tee turvalisuse suurendamiseks tegelikult eriti midagi, sest neid valmistatakse enamasti tavalise pressimisprotsessi käigus. Bayeri spetsialistid seevastu saavad oma kilele laserikiired nõnda suunata, et pealispinnad, liikuvad kujutised või tootelogod on eri vaatenurkadest äratuntavad. Isegi seerianumbreid saab laseri abil lihtsalt ja kiiresti kilesse kirjutada, mis annab võltsimise eest väga kindla kaitse.

Täppiskile väljatöötamine võttis aga kaua aega. Bayeri teadlased pidid kõigepealt füüsikaliste ja keemiliste protsesside kombineerimisel nutti kasutama. Ühelt poolt oli eesmärgiks jaotada ümbritsevas plastmaatriksis olevad monomeerid nii, et kile jääks selge ning läbipaistev, kuna vastasel juhul muudaks kile laserikiirega kokku puutudes osa kiirest hajusaks. Teiselt poolt peaksid monomeerid ühinema ainult sihtkokkupuutealal, sest muidu valguks muster laiali. Lisaks peavad kiles olevad väikesed plastehitusplokid olema võrgustiku moodustamiseks piisavalt liikumisvõimelised. Samuti oli oluline fotoinitsiaatorite kokkusobivus, sest need aktiveeritakse laserivalgusega kokkupuutel – ja siis pannakse kiles olevad monomeerid liikuma, et need üksteisega kindlaksmääratud moel ühenduksid. „Seetõttu pidime leidma ained, milles need protsessid toimiksid vastastikku nii, nagu meie tahtsime, ja mis seejuures toimiksid madalal valgustugevusel. See on kuluefektiivse tootmise jaoks eriti tähtis,” selgitab dr Thomas Rölle, dr Fäcke meeskonna keemik. „Lõppude lõpuks peaks kile tõhusalt valgust juhtima,” lisab tema kolleeg dr Marc-Stephan Weiser. Teisisõnu peavad üksikkomponendid üksteisega ideaalselt kokku sobima.

Tuhandete potentsiaalselt sobivate molekulikandidaatide hulgast õige valiku tegemine oli väga keeruline. „Seepärast lasimegi eelvaliku teha arvutil,” selgitab Bayeri tehnoloogiateenuste osakonnas töötav dr Christian Diedrich, kes oma Bayer MaterialScience’i kolleege kile väljatöötamisel aitas. Diedrichi spetsialiseerumisvaldkond on teoreetiline keemia. Ta hindab arvuti abiga molekulide omadusi ja analüüsib, milline on nende vastastiktoime teiste ainetega – seda teadusharu nimetatakse molekulaarseks modelleerimiseks. Selle protsessi ajal uurib tarkvara näiteks selliseid küsimusi, kui palju energiat on valgusneelaja aktiveerimiseks vaja ja kas seda energiat on sidumisprotsessi algatamiseks piisavalt.

Kile vähendab valguskadu

„Seda tehnikat kasutades leidsime paljude kandidaatide hulgast väga kiiresti potentsiaalselt sobivate molekulide kogumi ja saime nende kohta üksikasjalikku teavet esitada,” sõnab Diedrich.

Fäcke ja tema kolleegid saavad kile omadusi korrigeerida nii, et pärast sissekirjutusprotsessi vormib ja suunab see valgust sihtrakenduse jaoks optimaalsel viisil, mis on oluline eriti värviekraanide puhul, kuna see parandab nende toimimis- ja energiatõhusust. Kuna sellised elektriseadmed nagu mobiiltelefonid, arvutid ja mängukonsoolid muutuvad järjest väiksemaks ja kergemaks, avab see ka ukse täiesti uutele turuvõimalustele. „Meie kile sobib selleks täiuslikult,” ütleb Fäcke, „kuna see suudab ühel ja samal ajal mitut funktsiooni toetada.” Kile pakub ka tohutut potentsiaali päikesevalgusest energia tootmiseks. Päikeseenergiarajatistes võib see vähendada peegelduse käigus kaduma läinud valguse hulka, kuna laseriga saab paberõhukest plastkilelehte struktureerida nii, et see suudaks paljudest eri suundadest tuleva päikesevalguse parimal moel kinni püüda. „Meie kile on uus, tõhus ja paindlik lahendus igale poole, kus on vaja valgust juhtida,” sõnab Fäcke.

Bayer MaterialScience kuulub Bayer Group kontserni, www.bayermaterialscience.com.

Uudise edastas Eike Kingsepp, e-post: eike.kingsepp@bayer.com