De colloïdale diamant is al sinds de jaren negentig een droom van onderzoekers. Deze structuren - stabiel, zelf-geassembleerde formaties van minuscule materialen - hebben het potentieel om lichtgolven te maken die net zo nuttig zijn als elektronen in computers, en veelbelovend voor tal van andere toepassingen. Maar terwijl het idee van colloïdale diamanten decennia geleden werd ontwikkeld, niemand was in staat om de structuren betrouwbaar te produceren. Tot nu.

Onderzoekers onder leiding van David Pine, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de NYU Tandon School of Engineering en hoogleraar natuurkunde aan de NYU, hebben een nieuw proces bedacht voor de betrouwbare zelfassemblage van colloïden in een diamantformatie die zou kunnen leiden tot goedkope, schaalbare fabricage van dergelijke structuren. De vondst, gedetailleerd in "Colloïdale diamant, " verschijnen in het 24 september nummer van Natuur , zou de deur kunnen openen naar zeer efficiënte optische circuits die leiden tot vooruitgang in optische computers en lasers, lichtfilters die betrouwbaarder en goedkoper te produceren zijn dan ooit tevoren, en nog veel meer.

Pine en zijn collega's, waaronder hoofdauteur Mingxin He, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde aan de NYU, en corresponderend auteur Stefano Sacanna, universitair hoofddocent scheikunde aan de NYU, bestuderen colloïden al tientallen jaren en de mogelijke manieren waarop ze kunnen worden gestructureerd. Deze materialen, samengesteld uit bollen die honderden keren kleiner zijn dan de diameter van een mensenhaar, kunnen in verschillende kristallijne vormen worden gerangschikt, afhankelijk van hoe de bollen met elkaar zijn verbonden. Elk colloïde hecht zich aan een ander met behulp van DNA-strengen die zijn vastgelijmd aan oppervlakken van de colloïden die functioneren als een soort moleculair klittenband. Wanneer colloïden met elkaar botsen in een vloeistofbad, de DNA haken en ogen en de colloïden zijn gekoppeld. Afhankelijk van waar het DNA aan het colloïde is bevestigd, ze kunnen spontaan complexe structuren creëren.

Dit proces is gebruikt om reeksen colloïden en zelfs colloïden in een kubische formatie te creëren. Maar deze structuren produceerden niet de heilige graal van fotonica - een bandgap voor zichtbaar licht. Net zoals een halfgeleider elektronen in een circuit uitfiltert, een bandgap filtert bepaalde golflengten van licht weg. Het op deze manier filteren van licht kan betrouwbaar worden bereikt door colloïden als ze in een diamantformatie zijn gerangschikt, een proces dat te moeilijk en te duur wordt geacht om op commerciële schaal uit te voeren.

"Er was een groot verlangen onder ingenieurs om een ​​diamantstructuur te maken, " zei Pine. "De meeste onderzoekers hadden het opgegeven, om je de waarheid te zeggen - we zijn misschien de enige groep ter wereld die hier nog aan werkt. Dus ik denk dat de publicatie van de krant als een verrassing voor de gemeenschap zal komen."

De rechercheurs, waaronder Etienne Ducrot, een voormalig postdoc aan NYU Tandon, nu in het Centre de Recherche Paul Pascal - CNRS, Pessac, Frankrijk; en Gi-Ra Yi van de Sungkyunkwan Universiteit, Suwon, Zuid-Korea, ontdekten dat ze een sterisch vergrendelingsmechanisme konden gebruiken dat spontaan de noodzakelijke verspringende bindingen zou produceren om deze structuur mogelijk te maken. Toen deze piramidale colloïden elkaar naderden, ze zijn verbonden in de noodzakelijke oriëntatie om een ​​diamantformatie te genereren. In plaats van het moeizame en dure proces te doorlopen om deze structuren te bouwen door het gebruik van nanomachines, dit mechanisme zorgt ervoor dat de colloïden zichzelf kunnen structureren zonder tussenkomst van buitenaf. Verder, de diamantstructuren zijn stabiel, zelfs wanneer de vloeistof waarin ze zich vormen wordt verwijderd.

De ontdekking werd gedaan omdat Hij, destijds een afgestudeerde student aan NYU Tandon, merkte een ongebruikelijk kenmerk op van de colloïden die hij synthetiseerde in een piramidale formatie. Hij en zijn collega's schetsten alle manieren waarop deze structuren met elkaar verbonden konden worden. Toen ze een bepaalde onderling verbonden structuur tegenkwamen, ze beseften dat ze de juiste methode hadden gevonden. "Na het maken van al deze modellen, zagen we meteen dat we diamanten hadden gemaakt, " zei hij.

"Dr. Pine's lang gezochte demonstratie van de eerste zelf-geassembleerde colloïdale diamantroosters zal nieuwe onderzoeks- en ontwikkelingsmogelijkheden ontsluiten voor belangrijke technologieën van het ministerie van Defensie die zouden kunnen profiteren van 3D-fotonische kristallen, " zei dr. Evan Runnerstrom, programma manager, Legeronderzoeksbureau (ARO), een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command.

Hij legde uit dat mogelijke toekomstige ontwikkelingen toepassingen omvatten voor zeer efficiënte lasers met minder gewicht en minder energie voor precisiesensoren en gerichte energiesystemen; en nauwkeurige lichtregeling voor 3D-geïntegreerde fotonische schakelingen of beheer van optische handtekeningen.

"Ik ben heel blij met dit resultaat omdat het op prachtige wijze een centraal doel van ARO's Materials Design Program illustreert:het ondersteunen van risicovolle, onderzoek met hoge beloning dat bottom-up routes ontsluit voor het maken van buitengewone materialen die voorheen onmogelijk te maken waren."

Het team, waaronder ook John Gales, een afgestudeerde student natuurkunde aan de NYU, en Zhe Gong, een postdoc aan de Universiteit van Pennsylvania, voorheen een afgestudeerde student scheikunde aan de NYU, zijn nu gericht op het zien hoe deze colloïdale diamanten in een praktische setting kunnen worden gebruikt. Ze maken al materialen met behulp van hun nieuwe structuren die optische golflengten kunnen filteren om hun bruikbaarheid in toekomstige technologieën te bewijzen.