Onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego Jacobs School of Engineering heeft een techniek ontwikkeld waarmee metalen nanokristallen zichzelf kunnen assembleren tot grotere, complexe materialen voor antennes en lenzen van de volgende generatie. De metalen nanokristallen zijn kubusvormig en, zoals bakstenen of Tetris-blokken, organiseren zich spontaan in grotere structuren met precieze oriëntaties ten opzichte van elkaar. Hun bevindingen werden op 10 juni online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

Dit onderzoek is in het nieuwe gebied van nanoplasmonics, waar onderzoekers materialen ontwikkelen die licht kunnen manipuleren met behulp van structuren die kleiner zijn dan de golflengte van het licht zelf. De nanokubussen die in dit onderzoek werden gebruikt, waren minder dan 0,1 micron; ter vergelijking, de breedte van een mensenhaar is 100 micron. Nauwkeurige oriëntatie is nodig zodat de kubussen licht kunnen opsluiten (voor een nanoschaal antenne) of licht focusseren (voor een nanoschaal lens) op verschillende golflengten.

"Onze bevindingen kunnen belangrijke implicaties hebben bij de ontwikkeling van nieuwe optische chemische en biologische sensoren, waar licht interageert met moleculen, en in optische circuits, waar licht kan worden gebruikt om informatie te leveren, " zei Andrea Tao, een professor in de afdeling NanoEngineering aan de Jacobs School. Tao werkte samen met nano-engineering professor Gaurav Arya en postdoctoraal onderzoeker Bo Gao.

Om objecten zoals antennes en lenzen te construeren, Tao's team gebruikt chemisch gesynthetiseerde metalen nanokristallen. De nanokristallen kunnen in verschillende vormen worden gesynthetiseerd om deze structuren te bouwen; in dit onderzoek, Tao's team creëerde kleine kubussen die zijn samengesteld uit kristallijn zilver die licht kunnen opsluiten wanneer ze zijn georganiseerd in groepen met meerdere deeltjes. Door licht te beperken tot ultrakleine volumes, zouden optische sensoren mogelijk zijn die extreem gevoelig zijn en waarmee onderzoekers kunnen volgen hoe een enkel molecuul beweegt, reageert, en verandert met de tijd.

Om te bepalen hoe de kubussen zich organiseren, Tao en haar collega's ontwikkelden een methode om polymeerketens te enten op de zilveren kubusoppervlakken die de interactie tussen de kubussen wijzigen. Normaal gesproken wanneer objecten zoals kubussen stapelen, ze pakken zij aan zij in als Tetris-blokken. Met behulp van simulaties, Tao's team voorspelde dat het plaatsen van korte polymeerketens op het kubusoppervlak ervoor zou zorgen dat ze normaal zouden stapelen, terwijl het plaatsen van lange polymeerketens ervoor zou zorgen dat de kubussen van rand tot rand worden gestapeld. De aanpak is eenvoudig, robuust, en veelzijdig.

Bij het demonstreren van hun techniek, de onderzoekers creëerden macroscopische films van nanokubussen met deze twee verschillende oriëntaties en toonden aan dat de films verschillende golflengten van licht reflecteerden en doorlaten.