Meer dan een decennium geleden, theoretici voorspelden de mogelijkheid van een nanolens - een ketting van drie bollen op nanoschaal die inkomend licht zouden concentreren op een plek die veel kleiner is dan mogelijk is met conventionele microscopie. Een dergelijk apparaat zou beeldvorming met extreem hoge resolutie of biologische detectie mogelijk maken. Maar wetenschappers waren niet in staat geweest om veel nanolenzen over een groot gebied te bouwen en te rangschikken.

"Daar kwamen we binnen, " zei Xiaoying Liu, senior onderzoeker aan het Institute for Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago. Liu en Paul Nealey, de Dougan Professor in Molecular Engineering, werkte samen met experts in nanofotonica van het Air Force Research Laboratory en de Florida State University om een ​​nieuwe manier te bedenken om nanolenzen in grote arrays te bouwen met behulp van een combinatie van chemische en lithografische technieken.

Ze brachten drie sferische gouden nanodeeltjes van gegradueerde grootten op één lijn in de parelsnoeropstelling waarvan voorspeld was dat ze het focusserende effect zouden produceren. De sleutel, zei Liu, was control:"We plaatsten elke afzonderlijke bouwsteen van nanodeeltjes in precies de positie die we wilden hebben. Dat is de essentie van onze fabricagetechniek."

Het team beschreef zijn techniek in de laatste editie van Geavanceerde materialen . De eerste stap maakt gebruik van de lithografische methoden die worden gebruikt bij het maken van gedrukte schakelingen om een ​​chemisch masker te maken. Het masker van Liu en Nealey laat een patroon van drie kleinere vlekken op een substraat zoals silicium of glas zien dat de gouden nanodeeltjes niet absorbeert.

Fijne Patronen

Lithografie maakt uiterst nauwkeurige en delicate patronen mogelijk, maar het kan geen driedimensionale structuren produceren. Dus gebruikten de wetenschappers chemie om in drie dimensies bovenop het patroonsubstraat te bouwen. Ze behandelden de plekken met polymeerketens die vervolgens door chemische bindingen aan het substraat werden vastgemaakt.

"Het chemische contrast tussen de drie vlekken en de achtergrond zorgt ervoor dat de gouddeeltjes alleen naar de vlekken gaan, " zei Liu. Om ervoor te zorgen dat elk van de drie maten nanosferen zich alleen aan zijn eigen aangewezen plek hecht, de wetenschappers speelden met de kracht van de chemische interactie tussen vlek en bol. "We controleren de grootte van de verschillende gebieden in het chemische patroon, en we controleren het interactiepotentieel van de chemie van die gebieden met de nanodeeltjes, ' zei Nealey.

Alleen de grootste plek heeft de hoeveelheid kracht die nodig is om het grootste deeltje aan te trekken en vast te houden; de interactie van het deeltje met de middelste en de kleine vlekken is te zwak.

Wanneer de grote bollen worden geadsorbeerd, de wetenschappers gebruiken dezelfde truc om de middelgrote bollen op de middelgrote plekken te plaatsen, en ga uiteindelijk naar de kleinste.

"Het is net als het verhaal van de Drie Beren, "zei Nealey. "We kunnen grote op de grote plekken zetten, maar ze blijven niet op de kleinere plekken plakken; zet dan de volgende maat op de middelste plek, maar het zal niet vasthouden aan de kleine plek. Door deze sequentiële productie zijn we in staat om tot deze precieze samenstellingen van drie deeltjes van verschillende grootte te komen die dicht bij elkaar liggen."

Kleine scheidingen

De bollen zijn slechts enkele nanometers van elkaar gescheiden. Het is deze kleine scheiding, in combinatie met de sequentiële volgorde van de bollen van verschillende grootte, dat het nanolensing-effect produceert.

"Je krijgt deze concentratie in de intensiteit van het licht tussen de kleine en middelgrote nanodeeltjes, ' zei Nealey.

De wetenschappers onderzoeken al het gebruik van deze "hot spot" voor detectie met hoge resolutie met behulp van spectroscopie. "Als je daar een molecuul plaatst, het zal interageren met het gerichte licht, " zei Liu. "Het verbeterde veld op deze hotspots zal je helpen om orden van grootte sterkere signalen te krijgen, en dat geeft ons de mogelijkheid om ultragevoelig te voelen. Misschien kunnen we uiteindelijk afzonderlijke moleculen detecteren."

De onderzoekers voorzien hun fabricagetechniek ook toe te passen op nanodeeltjes van andere vormen, zoals staven en sterren. "De fysica van deeltjes die anders gevormd zijn dan bollen, maakt zelfs een breder spectrum aan toepassingen mogelijk, ' zei Nealey.

"Er is een groot aantal eigenschappen die je zou kunnen realiseren door deeltjes met asymmetrische vormen naast elkaar te plaatsen." De methode zal brede toepassing hebben voor elk proces dat nauwkeurige plaatsing van materialen in de buurt van dezelfde of verschillende soorten materialen vereist. Het zal, Nealey voorspelt, "maak deel uit van de manier waarop nanofabricage wordt gedaan."