Stel je voor dat je nieuwe apparaten maakt met verbazingwekkende en exotische optische eigenschappen die niet in de natuur voorkomen -- door simpelweg een druppel deeltjes op een oppervlak te verdampen.

Door chemisch clusters van nanobolletjes te bouwen uit een vloeistof, een team van Harvard-onderzoekers, in samenwerking met wetenschappers van Rice University, de Universiteit van Texas in Austin, en de Universiteit van Houston, precies dat heeft ontwikkeld.

de bevinding, gepubliceerd in het nummer van 28 mei van Wetenschap , demonstreert eenvoudige schaalbare apparaten met aanpasbare optische eigenschappen die geschikt zijn voor toepassingen variërend van zeer gevoelige sensoren en detectoren tot onzichtbaarheidsmantels. Met behulp van deeltjes bestaande uit concentrische metalen en isolerende schalen, Jonathan Fan, een afgestudeerde student aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), zijn leidende co-auteur Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS, en Vinothan Manoharan, Universitair hoofddocent Chemical Engineering and Physics bij SEAS en de Physics Department van Harvard, bedacht een bottom-up, zelf-assemblagebenadering om de ontwerpuitdaging aan te gaan.

"Een langdurige uitdaging in optische engineering was om manieren te vinden om structuren te maken die veel kleiner zijn dan de golflengte die gewenste en interessante eigenschappen vertonen, " zegt Fan. "Bij zichtbare frequenties, deze structuren moeten op nanoschaal zijn."

In tegenstelling tot, de meeste apparaten op nanoschaal worden gefabriceerd met behulp van top-down benaderingen, vergelijkbaar met hoe computerchips worden gemaakt. De kleinste afmetingen die met dergelijke technieken kunnen worden gerealiseerd, worden ernstig beperkt door de intrinsieke beperkingen van het fabricageproces, zoals de golflengte van het licht dat in het proces wordt gebruikt. Bovendien, dergelijke methoden zijn beperkt tot vlakke geometrieën, zijn duur, en vereisen intensieve infrastructuur zoals cleanrooms.

“Met onze bottom-up benadering, we bootsen de manier na waarop de natuur innovatieve structuren creëert, die uiterst nuttige eigenschappen vertonen, " legt Capasso uit. "Onze nanoclusters gedragen zich als kleine optische circuits en zouden de basis kunnen zijn van nieuwe technologie zoals detectoren van afzonderlijke moleculen, efficiënte en biologisch compatibele sondes in kankertherapieën, en optische pincetten om nanodeeltjes te manipuleren en te sorteren. Bovendien, het fabricageproces is veel eenvoudiger en goedkoper uit te voeren."

De zelfmontagemethode van de onderzoeker vereist niet meer dan een beetje mengen en drogen. Om de clusters te vormen, de deeltjes worden eerst gecoat met een polymeer, en een druppel ervan wordt vervolgens verdampt op een waterafstotend oppervlak. In het proces van verdamping, de deeltjes pakken samen in kleine clusters. Met behulp van polymeerafstandhouders om de nanodeeltjes te scheiden, de onderzoekers waren in staat om controleerbaar een opening van twee nanometer tussen de deeltjes te bereiken - een veel betere resolutie dan traditionele top-down-methoden toestaan.

Twee soorten resulterende optische schakelingen zijn van aanzienlijk belang. een trimeer, bestaande uit drie gelijk verdeelde deeltjes, kan een magnetische respons ondersteunen, een essentiële eigenschap van onzichtbaarheidsmantels en materialen met een negatieve brekingsindex.

"In essentie, het trimeer fungeert als een resonator op nanoschaal die een circulerende stroomlus op zichtbare en nabij-infrarode frequenties kan ondersteunen, " zegt Fan. "Deze structuur functioneert als een magneet op nanoschaal bij optische frequenties, iets wat natuurlijke materialen niet kunnen."

heptameren, of verpakte zeven deeltjesstructuren, vertonen bijna geen verstrooiing voor een smal bereik van goed gedefinieerde kleuren of golflengten wanneer verlicht met wit licht. Deze scherpe dalingen, bekend als Fano-resonanties, voortkomen uit de interferentie van twee vormen van elektronenoscillaties, een "heldere" modus en een niet-optisch actieve "donkere" modus, in het nanodeeltje.

"Heptameren zijn zeer efficiënt in het creëren van extreem intense elektrische velden gelokaliseerd in gebieden van nanometergrootte waar moleculen en deeltjes op nanoschaal kunnen worden gevangen, gemanipuleerd, en gedetecteerd. Moleculaire waarneming zou berusten op het detecteren van verschuivingen in de smalle spectra-dips, ' zegt Capasso.

uiteindelijk, alle zelf-geassembleerde circuitontwerpen kunnen gemakkelijk worden afgesteld door de geometrie te variëren, hoe de deeltjes worden gescheiden, en de chemische omgeving. Kortom, de nieuwe methode maakt een "toolkit" mogelijk voor het manipuleren van "kunstmatige moleculen" op zo'n manier om naar believen optische eigenschappen te creëren, een kenmerk dat de onderzoekers verwachten, is in grote lijnen generaliseerbaar naar een groot aantal andere kenmerken.

Vooruit kijken, de onderzoekers zijn van plan te werken aan het behalen van hogere clusteropbrengsten en hopen op macroschaal driedimensionale structuren te assembleren, een "heilige graal" van materiaalkunde.

"We zijn enthousiast over de mogelijke schaalbaarheid van de methode, ", zegt Manoharan. "Sferen zijn de gemakkelijkste vormen om in elkaar te zetten, omdat ze gemakkelijk samen kunnen worden gepakt. Hoewel we hier alleen vlakke deeltjesclusters hebben gedemonstreerd, onze methode kan worden uitgebreid tot driedimensionale structuren, iets dat een top-down benadering moeilijk zou hebben."