Een smartphonescherm dat 3D-beelden kan produceren, moet het licht dat het uitstraalt kunnen verdraaien. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Michigan en de Ben-Gurion Universiteit van de Negev hebben een manier ontdekt om spiraalvormige halfgeleiders in massa te produceren die precies dat kunnen.

In 1962, De ingenieurs van de Universiteit van Michigan, E. Leith en J. Upatnieks, onthulden realistische 3D-beelden met de uitvinding van praktische holografie. De eerste holografische afbeeldingen van vogels in een trein werden gemaakt door staande golven van licht met heldere en donkere vlekken in de ruimte te creëren, wat een illusie van een materieel object creëert. Het werd mogelijk gemaakt door de polarisatie en fase van het licht te regelen, d.w.z. de richting en de timing van fluctuaties van elektromagnetische golven.

De halfgeleiderhelices gemaakt door het U-M-led-team kunnen precies dat doen met fotonen die er doorheen gaan, weerspiegeld van, en door hen uitgezonden. Ze kunnen worden opgenomen in andere halfgeleiderapparaten om de polarisatie te variëren, fase, en de kleur van het licht dat door de verschillende pixels wordt uitgestraald, elk van hen gemaakt van de nauwkeurig ontworpen halfgeleiderhelices.

Tot nu, het maken van halfgeleiderspiralen met voldoende sterke twist - die doet denken aan fusilli-pasta op nanoschaal - was een moeilijk vooruitzicht omdat de getwiste toestand onnatuurlijk is voor halfgeleidermaterialen. Ze vormen meestal vellen of draden. Maar Nicholas Kotov, Joseph B. en Florence V. Cejka, hoogleraar Chemische Technologie en zijn team, hebben een manier gevonden om de hechting van kleine halfgeleider-nanodeeltjes aan elkaar te leiden door te leren van de verwrongen structuren van de natuur:eiwitten en DNA.

"Aminozuren zijn de typische bouwstenen van eiwitten, " zei Wenchun Feng, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Kotov en de hoofdauteur. "De richting van de spiraal van eiwitten wordt bepaald door de geometrische eigenschap van aminozuren. We ontdekten dat een gemeenschappelijk aminozuur, cysteïne, door in grote aantallen samen te werken, kunnen niet alleen eiwitten, maar ook halfgeleiders worden verdraaid."

Het team bekleedde nanodeeltjes gemaakt van cadmiumtelluride, een halfgeleider die licht kan uitstralen, met cysteïne. Cysteïnemoleculen zijn er in twee vormen die spiegelbeelden van elkaar zijn, dus het staat bekend als een "chiraal" molecuul. Ze observeerden dat de nanodeeltjes spontaan zichzelf assembleerden tot halfgeleider-"tornados" na de chiraliteit naar rechts of naar links van het aminozuur.

Een van de onverwachte bevindingen van het team was hoe betrouwbaar dit zelfassemblageproces was en hoe sterk de draaiing van de helices was. Bijna alle - 98 procent - halfgeleiderhelices hadden dezelfde draairichting en zagen er inderdaad uit als fusilli op nanoschaal. Sommige organische moleculen kunnen organische spiralen vormen, te, maar het lichtdraaiende vermogen van halfgeleiderhelices gemaakt door Kotov en collega's is minstens vijf keer sterker en kan worden gevarieerd door elektrisch veld.

Toen ze licht door de halfgeleiders schenen, ze registreerden de fotonen die er doorheen wervelden. Door een combinatie van experimenten en computersimulaties, de onderzoekers ontwikkelden ontwerpprincipes en methoden voor het ontwerpen van de optische eigenschappen van de halfgeleiderhelices voor de verschillende kleuren in toekomstige holografische apparaten.

Een van de onverwachte gevolgen van dit door technologie aangedreven project was een kijkje in de mysteries over hoe het leven op aarde kan zijn ontstaan ​​en waarom veel biologische moleculen betrouwbaar een spiraal met de klok mee of tegen de klok in volgen. Kotov suggereert dat aminozuren, waarvan bekend is dat ze spontaan ontstaan ​​in ruimtestof, heeft mogelijk nanodeeltjes tot spiralen geassembleerd die het licht van de vroege sterren verdraaiden, dienen als stabiele anorganische sjablonen voor organische moleculen en deeltjes om hetzelfde patroon te volgen.

Het werk wordt beschreven in een artikel in Science Advances getiteld, "Assemblage van mesoschaalhelices met bijna-eenheid enantiomere overmaat en licht-materie-interacties voor chirale halfgeleiders." Bekijk de samenvatting op Advances.sciencemag.org/content/3/3/e1601159.