Het gebied van metamaterialen draait om het maken van structuren met fysieke eigenschappen die niet in de natuur voorkomen. Het is een uitdaging om te voorspellen welke soorten structuren die eigenschappen zouden hebben; het fysiek fabriceren ervan is iets heel anders, omdat ze vaak een nauwkeurige rangschikking van de samenstellende materialen op de kleinste schalen vereisen.

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben nu een manier bedacht om metamaterialen in massa te produceren die magnetische resonantie vertonen in optische frequenties. Genaamd "framboos-achtige metamoleculen" vanwege hun unieke vorm, deze structuren op nanoschaal kunnen worden gebruikt als bouwstenen voor metamaterialen die licht kunnen verstrooien alsof ze magnetische eigenschappen hebben, die relevant kunnen zijn voor toepassingen in optische verwerking en signaalverwerking. Deze framboosachtige metamoleculen reageren op het magnetische veld van licht zoals een draadlus op een oscillerende magneet.

Dit vermogen komt voort uit de precieze rangschikking van de "drupellets, " die zijn samengesteld uit gouden nanodeeltjes. Deze drupelets moeten zo dicht mogelijk bij elkaar zijn zonder elkaar aan te raken om de optische elektrische velden eromheen niet te "kortsluiten". Door een zorgvuldig ontworpen chemisch proces dat elke drupelet bedekt met een isolerende oppervlakteactieve stof, het Penn-team was in staat om deze nanodeeltjes op een gemiddelde afstand van slechts twee nanometer van elkaar te plaatsen.

En omdat de assemblage van de nanodeeltjes drupelets en de oppervlakteactieve coating in één stap kan worden gedaan, enorme hoeveelheden van deze framboosachtige metamoleculen kunnen in één keer worden gefabriceerd, in plaats van nauwgezet één voor één in elkaar te worden gezet.

Het onderzoek werd uitgevoerd door hoofdauteur Zhaoxia Qian, die onlangs is afgestudeerd met een doctoraat in de chemie aan Penn's School of Arts &Sciences; Nader Engheta, de H. Nedwill Ramsey hoogleraar Electrical and Systems Engineering aan Penn's School of Engineering and Applied Science; Zahra Fakhraai, assistent-professor scheikunde in Penn Arts &Sciences; en So-Jung-park, voormalig universitair hoofddocent van het departement Chemie, nu hoogleraar scheikunde aan de Ewha Womans University in Zuid-Korea. Ook bijdragen waren Simon Hastings, die onlangs is afgestudeerd met een doctoraat in de natuurkunde, en afgestudeerd scheikundestudent Chen Li, samen met onderzoeksspecialist Brian Edwards en gaststudent Christine K. McGinn, zowel elektrotechniek als systeemtechniek.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Als je een draadlus neemt en een magneet op en neer door het midden beweegt, het resulterende oscillerende magnetische veld drijft elektronen rond de draad, het produceren van elektrische stroom in de draad. Dat principe speelt in elke generator, die magneten heeft die oscilleren met ongeveer 50 hertz, of 50 keer per seconde. Maar wat als dit principe zou kunnen worden uitgebreid naar optische frequenties, in de orde van 500 terahertz? In plaats van elektriciteit op te wekken, de lus zou zichtbaar licht kunnen manipuleren.

"Er zijn geen materialen bekend die magnetische eigenschappen hebben in optische frequenties, zei Fahkraai. "Als je zulke constructies zou kunnen maken, het kunnen bouwstenen zijn voor metamaterialen die licht kunnen verstrooien alsof ze magnetische eigenschappen hebben."

Engheta voorspelde dat een dergelijke structuur in 2006 mogelijk was, en in de tussenliggende jaren hebben andere onderzoeksgroepen fysiek metamaterialen geproduceerd die deze eigenschap vertonen. Dergelijke structuren waren meestal nauwgezet geconstrueerde ringen van metalen nanodeeltjes, op een plat oppervlak geplaatst, zodat elektronen er niet echt tussen konden bewegen.

"Omdat het metaal elkaar niet raakt, "Engheta zei, "de elektronen kunnen alleen oscilleren binnen individuele deeltjes en kunnen niet van het ene nanodeeltje naar zijn buurman gaan. Dit staat bekend als een verplaatsingsstroom. Het is alsof je de golf in een stadion doet; geen enkele fan beweegt van zijn stoel, maar de golf beweegt in een cirkel rond."

Een framboosachtige configuratie, waar nanodeeltjes bolvormig zijn geclusterd rond een kern, in plaats van een ring, zou nog beter zijn, als een dwarsdoorsnede van de framboos werkt als een ring van nanodeeltjes, ongeacht in welke richting het magnetische veld wordt aangelegd. Andere onderzoekers zijn begonnen over te stappen van mechanische assemblagetechnieken naar de chemische zelfassemblage van dergelijke structuren, maar hebben wegversperringen bereikt.

De aanpak van het Penn-team lost de problemen op door middel van een synthetische aanpak.

"Mensen hebben eerder geprobeerd dit soort constructies in oplossing te brengen, meestal door het assembleren van voorgesynthetiseerde nanodeeltjes, " zei Qian, "maar het is moeilijk om via die route een hoge dichtheid van nanodeeltjes te bereiken."

"In ons geval, "Park zei, "we genereren dicht opeengepakte nanodeeltjesclusters door een synthetische benadering waarbij de groei en assemblage van nanodeeltjes gelijktijdig plaatsvindt. Een uitdaging bij een dergelijke synthetische benadering is dat groeiende nanodeeltjes de neiging hebben om een ​​gefuseerde schaal te vormen. In onze methode, gebruiken we een speciale oppervlakteactieve stof die een moleculair dunne, maar stevig beschermend, laag rond de nanodeeltjes, waardoor ze elkaar niet raken."

De synthetische methode van het Penn-team vermindert een deel van de complexiteit die anders gepaard gaat met het maken van deze framboosachtige metamoleculen.

"Het is alsof je een stoofpot maakt, "Zei Engheta. "Je gooit alles in één pot."

De ingrediënten voor de stoofpot zijn bolletjes van polystyreen versierd met kleine zilverzaaddeeltjes, zilvernitraat, goudzouten en reductiemiddelen die die zouten afbreken en de goudatomen in staat stellen nanodeeltjes te vormen. Al deze ingrediënten worden in een groeiformule geplaatst die de isolerende oppervlakteactieve stof bevat, die een dunne laag vormt op de buitenkant van de groeiende gouden nanodeeltjes, ze van elkaar te dempen.

Verder onderzoek naar de chemie van oppervlakteactieve stoffen zal het team in staat stellen de afstand tussen de nanodeeltjes nog verder te verkleinen, om de magnetische eigenschappen van de framboosachtige metamoleculen verder te versterken. Die eigenschap is van cruciaal belang voor het vermogen van de structuren om licht te manipuleren en dus te worden gebruikt in optische apparaten.

"Als je inductoren wilt maken met optische frequenties, "Fahkraai zei, "Je hebt iets nodig dat kan reageren op zeer hoge frequenties. Hoe dichterbij we de nanodeeltjes kunnen maken, hoe sterker we de verstrooiing van licht door magnetische effecten kunnen maken."