Ingeniører overvinder en forhindring i at udvikle et revolutionerende optisk metamateriale

Da John Crocker, en professor i kemisk og biomolekylær teknik ved University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science var en kandidatstuderende, hans rådgiver samlede alle i sit laboratorium for at "smide handsken ned" på en ny udfordring i feltet.

Nogen havde forudsagt, at hvis man kunne dyrke kolloide krystaller, der havde samme struktur som kulstofatomer i en diamantstruktur, det ville have særlige optiske egenskaber, der kunne revolutionere fotonikken. I dette materiale, kaldet et fotonisk bandgapmateriale, eller PBM, lys ville virke matematisk analogt med, hvordan elektroner bevæger sig i en halvleder.

"Den teknologiske betydning er, at sådanne materialer muliggør konstruktion af 'transistorer' til lys, evnen til at fange lys på bestemte steder og bygge mikrokredsløb til lette og mere effektive lysdioder og lasere, "Sagde Crocker.

På det tidspunkt, Crocker besluttede at forfølge sine egne projekter, overlade jagten på PBM'er til andre.

Tyve år senere, Crockers egen kandidatstuderende Yifan Wang producerede denne undvigende diamantstruktur, mens han arbejdede på et andet problem, serendipitøst. Dette satte dem på vej til at opnå PBM'er, "hellig gral af selvmontering af rettet partikel, "Sagde Crocker.

"Det er en klassisk historie om serendipitet i videnskabelig opdagelse. Man kan ikke forudse disse ting. Man er bare heldig nogle gange, og der kommer noget fantastisk ud."

Undersøgelsen blev ledet af Crocker, Wang, professor Talid Sinno fra SEAS og kandidatstuderende Ian Jenkins. Resultaterne er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

For at være PBM, et materiale skal have en krystallignende struktur ikke på atomernes skala, men på længden af ​​lysbølgelængden.

"Med andre ord, "Crocker sagde, "du skal forme eller arrangere noget gennemsigtigt materiale i en række kugler med en bestemt symmetri, og kuglerne eller hullerne skal være hundredvis af nanometer i størrelse. "

Tilbage i 1990'erne, Crocker sagde, forskere mente, at der ville være mange forskellige måder at arrangere kuglerne og vokse den nødvendige struktur ved hjælp af kolloidkrystaller svarende til, hvordan krystaller i halvledere vokser:kolloidkugler, der spontant arrangerer sig i forskellige krystalgitter.

Opaler er et naturligt eksempel på dette. De dannes, når silica i grundvandet danner mikroskopiske kugler, som krystalliserer under jorden og derefter fossileres i faste stoffer.

Selvom opaler ikke har den rigtige symmetri til at være PBM'er, deres iriserende udseende skyldes, at deres periodiske krystalstruktur er på skalaer, der kan sammenlignes med lysets bølgelængde.

For at danne en PBM, hovedmålet er at arrangere transparente mikroskopiske kugler i et 3D-mønster, der efterligner atomarrangementet af carbonatomer i et diamantgitter. Denne struktur, i modsætning til andre krystaller, mangler visse symmetriretninger for andre krystaller, hvor lys kan opføre sig normalt, gør det muligt for diamantstrukturen at opretholde PBM -effekten.

Forskere antog, at de ville være i stand til at lave syntetiske opaler med forskellige strukturer ved hjælp af forskellige materialer til fremstilling af PBM'er. Men dette viste sig at være vanskeligere, end de havde troet, og 20 år senere, det er stadig ikke lykkedes.

For endelig at oprette disse diamantgitter, forskerne fra Penn brugte DNA-dækkede mikrosfærer i to lidt forskellige størrelser.

"Disse danner spontant kolloidale krystaller, når de inkuberes ved den korrekte temperatur, på grund af DNA'et, der danner broer mellem partiklerne, "Crocker sagde." Under visse betingelser, krystallerne har en dobbelt diamantstruktur, to indtrængende diamantgitter, hver består af en størrelse eller 'smag' af partikler. "

De tværbinder derefter disse krystaller til et fast stof.

Crocker beskriver præstationen som held og lykke. Forskerne havde ikke sat sig for at skabe denne diamantstruktur. De havde lavet et "bland og bed" -eksperiment:Wang justerede fem materialevariabler for at udforske parameterrummet. Til dato, dette har produceret 11 forskellige krystaller, den ene var den overraskende dobbelt diamantstruktur.

"Ofte sker der noget uventet, det åbner en dør til en ny teknologisk tilgang, "Sagde Sinno." Der kunne være ny fysik i modsætning til støvet gammel lærebogsfysik. "

Nu hvor de har fjernet en betydelig hindring på vejen til at oprette PBM'er, forskerne skal finde ud af at skifte materialer til partikler med højt indeks og selektivt opløse en art for at efterlade dem med et selvsamlet diamantgitter af kolloide mikrosfærer.

Hvis det lykkes at producere en PBM, materialet ville være som en "halvleder til lys, "har usædvanlige optiske egenskaber, der ikke findes i nogen naturlige materialer. Normale transparente materialer har et brydningsindeks mellem 1,3 og 2,5. Disse PBM'er kan have et meget højt brydningsindeks, eller endda et negativt brydningsindeks, der bryder lys baglæns.

Sådanne materialer kan bruges til at lave linser, kameraer og mikroskoper med bedre ydeevne, eller muligvis endda "usynlige kapper, "faste genstande, der ville omdirigere alle lysstråler omkring et centralt rum, gør objekter der usynlige.

Selvom forskerne har været i stand til at reproducere dette eksperimentelt mere end et dusin gange, Sinno og Jenkins har ikke været i stand til at gengive fundene i simulering. Det er den eneste struktur af de 11 krystaller, Wang producerede, som de ikke har været i stand til at replikere i simulering.

"Dette er den eneste struktur, vi har fundet hidtil, at vi ikke kan forklare, hvilket sandsynligvis ikke er relateret til det faktum, at ingen forudsagde, at du kunne danne det med dette system, "Sinno sagde." Der er flere andre papirer, vi tidligere har haft, som virkelig viser, hvor kraftfulde vores tilgange er til at forklare alt. På en måde, det faktum, at intet af dette virkede tilføjer beviser for, at der sker noget fundamentalt anderledes her. "

Forskerne mener i øjeblikket, at en anden, ukendt krystal vokser og omdannes derefter til de dobbelte diamantkrystaller, men denne idé har vist sig vanskelig at bekræfte.

"Du er vant til at skrive papirer, når du forstår noget, "Crocker sagde." Så vi havde et dilemma. Normalt når vi finder noget, vi tygger på det et stykke tid, vi laver simuleringer, og når det hele giver mening, skriver vi det op. I dette tilfælde, vi var nødt til at kontrollere alt tre gange og derefter foretage et dømmekald for at sige, at dette er en spændende opdagelse, og andre mennesker uden for os kan også arbejde på dette og tænke over og hjælpe os med at forsøge at løse dette mysterium. "