(Phys.org) —Als je de symmetrie van nanostaafjesparen in een colloïdale oplossing uniform kunt breken, je bent een stap voor op het bereiken van nieuwe en opwindende metamateriaaleigenschappen. Maar traditionele thermodynamisch aangedreven colloïdale assemblage van deze metamaterialen, die materialen zijn die worden gedefinieerd door hun niet-natuurlijk voorkomende eigenschappen, resulteren vaak in structuren met een hoge mate van symmetrie in het stortgoed. In dit geval, de energiebehoefte laat de constructie niet toe om zijn symmetrie te doorbreken.

In een onderzoek onder leiding van Xiang Zhang, directeur van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, hij en zijn onderzoeksgroep aan de University of California (UC) Berkeley bereikten voor het eerst symmetriebreking in een bulkmetamateriaaloplossing. Zhang en zijn groep demonstreerden zelf-geassembleerde optische metamaterialen met op maat gemaakte gebroken symmetrieën en dus unieke elektromagnetische reacties die kunnen worden bereikt via hun nieuwe methode. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie . Het artikel is getiteld "Feedback-gedreven zelfassemblage van symmetrie-brekende optische metamaterialen in oplossing."

"We hebben een innovatieve zelfassemblageroute ontwikkeld die de conventionele thermodynamische limiet in chemisch-synthetische systemen zou kunnen overtreffen", legt Sui Yang uit, hoofdauteur van het Nature Nanotechnology-paper en lid van de onderzoeksgroep van Zhang. "Specifiek, we gebruiken de eigen eigenschap van het materiaal als een zelfcorrigerend feedbackmechanisme om de uiteindelijke structuur zelf te bepalen."

Dit bracht de groep ertoe nanostructuren te produceren die in het verleden als onmogelijk te assembleren werden beschouwd.

De veelgebruikte methode van metamateriaalsynthese is top-down fabricage zoals elektronenstraal- of focus-ionenstraallithografie die vaak resulteert in sterk anisotrope en kleinschalige metamaterialen.

"Mensen bouwen metamaterialen met behulp van top-down methoden, waaronder blootstelling aan licht en blootstelling aan elektronenstralen, die inefficiënt en kostbaar zijn, " zegt Xingjie Ni, een andere hoofdauteur op het papier. "Als we metamaterialen willen gebruiken, we moeten een manier ontwikkelen om ze goedkoop en efficiënt te bouwen."

De bottom-up route voorziet in deze behoefte. Beginnend met een oplossing van colloïdale nanostaafjes, Yang en Ni bouwden voort op de gemeenschappelijke zelfassemblagetechniek die wordt gebruikt om nanodeeltjes te bouwen. De draai die ze eraan toevoegden, was het introduceren van een feedbackmechanisme om het gewenste product te verkrijgen.

Het gewenste product bij het synthetiseren van colloïdale gouden nanostaafjes, die tijdens de groei worden gestabiliseerd om preferentiële binding langs longitudinale facetten te verkrijgen, is paren staven, of dimeren, die met een bepaalde hoeveelheid zijn verschoven:hun symmetrie wordt uniform verbroken.

"Als je deze reactie hebt, je krijgt allerlei producten. Je hebt een paar nanostaafjes zonder enige verschuiving ten opzichte van elkaar; of een paar dat te veel verschoven is; of niet genoeg. Dit is een typisch proces en wordt beheerst door thermodynamica, " legt Yang uit.

Het team gebruikte een laser om de plasmonische resonantie op te wekken van specifieke deeltjes die bij de reactie werden geproduceerd. Hierdoor konden ze de ongewenste resonanties scheiden, het aangeven van nanostaafparen die niet de gewenste hoeveelheid zijn verschoven, en dissociëren die paren met behulp van warmte van de excitatie.

"Alleen de gewenste resonantie overleeft in dit proces, " zegt Ni. "Dan kan de reactie worden herhaald om meer van het gewenste te produceren, gebroken-symmetriedeeltjes op basis van hun plasmonische signatuur. Duidelijk onderscheid in resonantieprofielen maakt dit een zeer selectieve methode.

"Dit is een gloednieuwe fabricagemethode voor zelfassemblage die mensen vaak kunnen gebruiken:we gebruiken de eigen eigenschappen van het materiaal om de vorming van nanostructuren in oplossing te stimuleren. Dit heeft de intrinsieke waarde van het maken van veel structuren in één batch."

De methode die is ontwikkeld in de onderzoeksgroep van Zhang kan worden toegepast op veel andere nanodeeltjes; inderdaad, bijna elke constructie die zichzelf kan assembleren, zou op deze manier kunnen worden geproduceerd. Dit lost het probleem op van het bereiken van symmetrisch breken op grote schaal, en kan de deur openen naar nieuwe eigenschappen en toepassingen.

Het unieke feedbackmechanisme leidt tot nauwkeurig gecontroleerde nanostructuren met meer dan conventionele symmetrieën en functionaliteiten.

"Als een demonstratie in onze krant, we hebben een nieuwe klasse van symmetrie-brekende optische metamaterialen gesynthetiseerd die isotrope elektromagnetische reacties hebben en kunnen worden gebruikt in een aantal belangrijke toepassingen, zoals beeldvorming onder de golflengte, optische verhulling en detectie, " zegt Yang.

"In tegenstelling tot de conventionele wijsheid dat de structuur van een materiaal zijn eigenschappen bepaalt, suggereren we provocerend dat de fysieke eigenschappen van materialen, met opzet, kan de evolutie van zelfassemblage dicteren en zelf de structuren van bulkmaterialen bepalen", besluit Zhang.