Onderzoekers onder leiding van Prof. Dr. Matthias Karg van het Instituut voor Fysische Chemie rapporteren een eenvoudige techniek voor het ontwikkelen van sterk geordende deeltjeslagen. De groep werkte met kleine, vervormbare bolvormige polymeerkralen met een hydrogel-achtige structuur. Hydrogels zijn watergezwollen, driedimensionale netwerken. Dergelijke structuren worden gebruikt als superabsorberende middelen in producten zoals babyluiers vanwege hun vermogen om grote hoeveelheden vloeistoffen op te nemen.

In deze hydrogelkralen zitten kleine goud- of zilverdeeltjes van slechts enkele nanometers groot, die het team van Karg bij HHU synthetiseert met behulp van metaalzouten in een reductieproces. "We kunnen de grootte van de gouddeeltjes heel precies aanpassen omdat de hydrogelschelpen doorlaatbaar zijn voor opgeloste metaalzouten, waardoor opeenvolgende overgroei van de goudkernen mogelijk is." De structuur van deze kern-schildeeltjes kan ruwweg worden vergeleken met die van een kers, waarin een harde kern wordt omgeven door zachte pulp.

De in Düsseldorf gevestigde onderzoekers gebruikten een verdunde oplossing van deze hydrogelparels om dunne monolagen te produceren. Ze brachten de kralen aan op een wateroppervlak, waar een glinsterende, zeer geordende laag zelf-geassembleerd. De onderzoekers brachten deze laag van het wateroppervlak over op glassubstraten; deze overdracht laat het glassubstraat glinsteren.

Als je met een elektronenmicroscoop naar zo'n laag kijkt, zie je een regelmatige, hexagonaal geordende deeltjesreeks. "Dit zijn de gouddeeltjes in hun schelpen, " legt promovendus Kirsten Volk uit, "en we zien dat ze in een enkele zijn gerangschikt, sterk geordende laag." De gouddeeltjes bepalen de kleur van de laag door zichtbaar licht met bepaalde golflengten te reflecteren, die interfereert en zo de indruk wekt van een veranderende kleur wanneer bekeken vanuit verschillende hoeken.

"Deze dunne lagen zijn erg interessant voor opto-elektronica, d.w.z. de overdracht en verwerking van gegevens met behulp van licht. Het kan ook mogelijk zijn om ze te gebruiken om geminiaturiseerde lasers te bouwen, " zegt prof. Karg. Deze nanolasers zijn slechts nanometers groot, daarmee een sleuteltechnologie op het gebied van nanofotonica.

In hun studie gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces , de in Düsseldorf gevestigde onderzoekers hebben een groot obstakel op de weg naar dergelijke nanolasers overwonnen. Ze creëerden collectieve resonanties in de gouddeeltjes door invallend licht. Dit betekent dat de gouddeeltjes niet afzonderlijk worden geëxciteerd; in plaats daarvan, alle aangeslagen deeltjes zijn in resonantie. Deze collectieve resonantie is de basisvoorwaarde voor het bouwen van lasers. De deeltjeslagen zijn ook erg dun.

Voor opto-elektronische toepassingen en nanolasers, de resonantiemodi zullen in de dunne lagen verder moeten worden versterkt. Prof. Karg zegt, "Volgende, we zullen proberen de resonantie verder te versterken door middel van doping met emitters. Op de lange termijn, dit zou ons ook in staat kunnen stellen elektrisch aangedreven nanolasers te realiseren."