Colloïdale deeltjes, gebruikt in een reeks technische toepassingen, waaronder voedingsmiddelen, inkten, verven, en cosmetica, kan zichzelf assembleren tot een opmerkelijke verscheidenheid aan dicht opeengepakte kristallijne structuren. Al decenia, Hoewel, onderzoekers hebben geprobeerd colloïdale bollen over te halen zichzelf te rangschikken in veel dunner bevolkte roosters om potentieel waardevolle optische eigenschappen te ontketenen. Deze structuren, fotonische kristallen genoemd, kan de efficiëntie van lasers verhogen, optische componenten verder verkleinen, en het vermogen van ingenieurs om de lichtstroom te beheersen enorm vergroten.

Een team van ingenieurs en wetenschappers van de NYU Tandon School of Engineering Department of Chemical and Biomolecular Engineering, het NYU-centrum voor onderzoek naar zachte materie, en Sungkyunkwan University School of Chemical Engineering in de Republiek Korea melden dat ze een weg hebben gevonden naar de zelfassemblage van deze ongrijpbare fotonische kristalstructuren die nog nooit eerder op submicrometerschaal zijn geassembleerd (één micrometer is ongeveer 100 keer kleiner dan de diameter van een lok mensenhaar).

Het onderzoek, die in het journaal verschijnt Natuurmaterialen , introduceert een nieuw ontwerpprincipe op basis van voorgemonteerde componenten van de gewenste bovenbouw, zoals een geprefabriceerd huis begint als een verzameling vooraf gebouwde secties. De onderzoekers melden dat ze in staat waren om de colloïdale bollen te assembleren tot diamant- en pyrochloorkristalstructuren - een bijzonder moeilijke uitdaging omdat er zoveel ruimte onbezet blijft.

Het team, bestaande uit Etienne Ducrot, een postdoctoraal onderzoeker aan het NYU Center for Soft Matter Research; Mingxin Hij, een doctoraatsstudent in chemische en biomoleculaire engineering aan NYU Tandon; Gi-Ra Yi van de Sungkyunkwan-universiteit; en David J. Pine, voorzitter van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de NYU Tandon School of Engineering en een NYU-hoogleraar natuurkunde aan het NYU College of Arts and Science, liet zich inspireren door een metaallegering van magnesium en koper die van nature voorkomt in diamant- en pyrochloorstructuren als subroosters. Ze zagen dat deze complexe structuren konden worden ontleed in afzonderlijke bollen en tetraëdrische clusters (vier permanent gebonden bollen). Om dit in het lab te realiseren, ze maakten sub-micron plastic colloïdale clusters en bollen, en gebruikten DNA-segmenten gebonden aan hun oppervlak om de zelfassemblage in de gewenste bovenbouw te leiden.

"We zijn in staat om die complexe constructies te bouwen omdat we niet beginnen met losse bollen als bouwstenen, maar met voorgemonteerde onderdelen die al aan elkaar 'gelijmd' zijn, "Zei Ducrot. "We vullen de structurele holtes van het diamantrooster met een doorgedrongen structuur, de pyrochloor, dat is net zo waardevol als het diamantrooster voor toekomstige fotonische toepassingen."

Ducrot zei open colloïdale kristallen, zoals die met diamant- en pyrochloorconfiguraties, zijn wenselijk omdat wanneer samengesteld uit het juiste materiaal, ze kunnen fotonische bandhiaten hebben - lichtfrequentiebereiken die zich niet door de structuur kunnen voortplanten - wat betekent dat ze voor licht zouden kunnen zijn wat halfgeleiders zijn voor elektronen.

"Dit verhaal is al lang in de maak, aangezien die materiaaleigenschappen 26 jaar geleden werden voorspeld, maar tot nu toe, er was geen praktisch pad om ze te bouwen, " zei hij. "Om een ​​bandgap in het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum te bereiken, de deeltjes moeten in de orde van 150 nanometer zijn, die in het colloïdale bereik ligt. In een dergelijk materiaal, licht zou zonder dissipatie langs een defect moeten reizen, het mogelijk maken van chips op basis van licht."

Pine zei dat zelfassemblagetechnologie van cruciaal belang is om de productie van deze kristallen economisch haalbaar te maken, omdat het maken van grote hoeveelheden kristallen met lithografietechnieken op de juiste schaal extreem duur en zeer uitdagend zou zijn.

"Zelfassemblage is daarom een ​​zeer aantrekkelijke manier om op goedkope wijze kristallen met een fotonische bandgap in bulkhoeveelheden te maken, ' zei Pine.