Singapurští vědci Karthik Kumar a Joel Jang z Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) za podpory Agentury pro vědu, technologie a výzkum (A * STAR)vypracovali novou techniku, která dovoluje tisk v maximálním možném rozlišení 100 000 DPI. Světového maxima nedosáhli postupným nanášením jednotlivých barev, ale technikou, která se podobá elektronové litografii.
Co je to DPI?
Dots per inch (DPI) je pro tiskárny a výsledný dojem obrázku důležitý údaj. Určuje, kolik obrazových bodů (pixelů) se vejde do délky jednoho palce, anglicky inch, což je 2,54 cm. Někdy se také užívá zkratky PPI čili pixels per inch, pixely na palec.
Čím vyšší DPI, tím jasnější a detailnější výstup. Jehličková tiskárna aplikuje barvivo přitlačováním malých jehliček, které přenášejí barvu z pásky na papír. Princip je stejný, jako mívaly psací stroje do nichž se muselo bušit prstem. Tyto tiskárny se pro jejich levný provoz sice stále používají, ale hodí se akorát tak na tištění faktur, rozlišení tisku se pohybuje v rozsahu od 60 do 90 DPI. Inkoustová tiskárna je na tom lépe. Stříká z trysek mikrokapičky a výsledkem je rozlišení 300 – 600 DPI.
Laserová tiskárna nanáší na papír toner pomocí elektrostatického náboje a její rozlišení bývá 600 - 1800 DPI. Profesionální tiskárny dosahují až 10 000 DPI. Problém je, že se tímto způsobem daří nanášet jen jednu barvu a pro dosažení plnobarevného obrazu papír ve válcích musí pro každou barvu neustále lítat sem a tam, se všemi nectnostmi, které to představuje.
Proč je 100 000 DPI maximum?
Když obrázek budeme zmenšovat, tak od určité „malosti“ budeme potřebovat lupu, a když nepřestaneme, mikroskop. Nejprve bude stačit levný, pak ten nejlepší. A co pak? I pro ty nejlepší optické mikroskopy, které pracují se světlem, existuje hranice maximálního zvětšení. Je dána tím, že když jsou dva objekty příliš blízko u sebe, světlo se od nich odráží a ve skutečnosti ostré okraje začnou být rozmazané, začnou splývat a žádné zaostřování nám nepomůže. Blízké body v obraze splývají. K tomuto jevu (tzv. difrakčnímu limitu) dochází, když vzdálenost mezi dvěma objekty je rovna polovině vlnové délky světla použitého pro zobrazení. Střední vlnová délka barevného spektra je asi 500 nanometrů. To znamená, že pixely v tištěném obrazu, který si singapurští vědci vytkli za cíl, nemohly být sobě blíže než 250 nanometrů, jinak by se pozorovateli jevily rozmazané. Yangův tým z toho důvodu volil velikost pixelů právě s ohledem na tento optický limit. I když technologicky v budoucnu bude možné obrázek ještě „vylepšit“, s ohledem na fyzikální zákonitosti optiky mohou Asiaté již dnes hrdě prohlašovat, že dosáhli maximálního teoreticky možného rozlišení tisku. Všechny další pokusy budou totiž neefektivní.
| Barevný převod standardního testovacího obrázku do mikrorozměrů. a) Do poslední chvíle se obrázek v mikroskopu jeví stále jen v šedých odstínech. Při klasickém barevném tisku se spektrum barev postupně rozšiřuje. b) V tom samém mikroskopu se všechny barvy objeví naráz, jakmile se nanostruktury pokryjí nanesením odrazové vrstvy – „kovový film“. c) Zvětšení detailu koutku oka ukazuje, co vidíme v optickém mikroskopu a jak vypadá záznam z pohledu elektronového mikroskopu. |
Princip
Rozlišení 100 000 DPI v plné barvě spočívá na různě drobných hranolech, jejichž výškový rozdíl činí několik desítek nanometrů. Ty je nejprve potřeba do podkladového materiálu „vyřezat“. V předvedeném pokusu základem byla křemíková destička převrstvená izolačním materiálem. Tvar upravil svazek elektronů. Teprve pak se nanášela vrstva, v níž hlavní roli hrály kovové nanočástice.
Inspirací pro novou metodu tisku byly skleněné vitráže s barevnými skly, které se tradičně vyrábí přidáním práškového kovu do skla. Nanočástice kovů z rozptýleného světla procházejícího sklem pak při dopadu bílého světla vykouzlí barvy. Joela Yanga, který je vedoucím skupiny, při pohledu do mikroskopu kdysi dávno zaujalo, že kovové částečky hrají barvami a že toto zbarvení se odvíjí od jejich velikosti. Napadlo jej vhodnou velikostí částeček tyto barvy si předem určit. Namíchání takové barvy pomocí malých kovových nanostruktur se odvíjí od fyzikálního jevu zvaného rezonance a je spjato s vlnovou délkou dopadajícího světla. Když světlo dopadá na povrch kovových nanočástic, fotony vyvolají kmity kvazi-volných vodivostních elektronů. Vzniklé oscilace se pak šíří jako vlny záporného náboje na pozadí kladných jader atomů uvězněných ve struktuře nanočástic. Na rozhraní kov dielektrikum vznikají elektromagnetické vlny, energii kterých přenášejí kvazičástice plazmony. Kvantum jejich energie interaguje s dopadajícím světlem a výsledný efekt naše oko zaznamená jako změnu barvy.
| Nanotechnologie a plazmonové kvazičástice nebyly cizí ani středověkým sklářům, jak dokládají tzv. Lykúrgovy poháry pojmenované po mytologickém thráckém králi. Oslepili ho, když se protivil Dionýsovu kultu. Na pohárech ze čtvrtého století je zobrazen, jak je lákán do podsvětí Ambrosií proměněnou ve vinnou révu. V odraženém (denním) světle je zelený. Je-li osvětlen zevnitř, zčervená. Sklo obsahuje malé množství zlata a stříbra ve formě nanokrystalů o velikosti zhruba 70 nanometrů. |
Yangův tým je zřejmě první, který ukázal, že tento fyzikální jev lze prakticky využít k tisku barevných obrázků ve vysokém rozlišení. Přitom neměl ani tak problém s výrobou kovových nanostruktur, jako spíše s jejich prostorovým (i výškovým) rozmístěním nad křemíkovou základní deskou, a to s rozlišením 100 000 DPI.
Nejde o barevné tečky
Každý pixel u těchto snímků s ultra rozlišením je tvořen až ze čtyř sloupečků nano rozměrů, na nichž je jakási čepička se stříbrnými a zlatými strukturami. Změnou výškových rozměrů hranolů, a tím i vzdálenostmi mezi nanostrukturami s kovovými částečkami, lze zadefinovat barvu světla, která se z daného místa bude odrážet. Vědcům ze Singapuru se podařilo najít takové kombinace, při nichž tento efekt - známý pod názvem „strukturální barvy“ - zajišťuje celou paletu barev (plnobarevnost obrázku). Ukázali to na obrázku, jemuž tiskaři familierně přezdívají „Lena“. Bohatě kolorovaný portrét ženy se v tiskárnách používá ke standardizaci tisku. Singapurští kouzelníci ho vmáčkli na plochu 50 × 50 mikrometrů.
Protože DPI je hodnota pro nás dost nezvyklá - vztahující se k palcům, nebude na škodu se na věc podívat uživatelsky - co vlastně prostým okem můžeme vidět. Ani ti z nás, kteří mají oči jako ostříž, nedokážou rozlišit objekt menší než 20 – 30 mikrometrů. Z čehož plyne, že místo Leny uvidíme akorát tak „starou belu“.
Plazmon je kvantum energie povrchových elektromagnetických vln (oscilací elektronového plynu) vyvolaných dopadem fotonů na povrch kovové nanočástice. (Kredit: Hélène Yockell-Lelièvre) |
K čemu může být taková "bela" dobrá?
Tisk kovovými nanostrukturami není určen pro reprodukce slavných mistrů, které bychom si věšeli na zeď. Může být ale zajímavý jako dodavatel ochranných prvků, jehož „inkoust“ je nerozpustný, v porovnání s organickými barvivy stálý a prakticky nesmazatelný, protože i když se násilně poškodí, půjde obnovit.
Zatím má použitá technika několik háčků. Předvedená ploška je malá a tisk spojený s „obráběním“ základní křemíkové desky trvá dlouho. Vědci ze Lvího města, jak zní překlad slova Singapur ze sanskrtu, jsou ale přesvědčeni, že jejich technologie si své uživatele najde a pro jistotu si podali patentovou přihlášku. Nyní už hledají další materiály, s nimiž by to svazku elektronů při „tisku“, respektive výrobě základního podkladového tvaru s hranolovými strukturami, šlo rychleji. Kromě kryptografie by se prý technika mohla hodit i pro trvalé uchování informací. Barevná škála dovoluje docílit vysoké hustoty datového záznamu. V praxi by to pak připomínalo jakýsi návrat k DVD, jen mnohem menších a nesmrtelných.
Pramen: Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), Singapore
Popiska: Velikost tohoto obrázku je pouhých 50 x 50 mikrometrů a okem vidět není. Snímek je z mikroskopu. DPI má hodnotu 100 000.
Diskuze:
