Forskere samler kolloidale kugler til selvsamling til fotoniske krystaller

Kolloide partikler, bruges i en række tekniske applikationer, herunder fødevarer, blæk, maling, og kosmetik, kan samle sig til en bemærkelsesværdig række tætpakket krystallinske strukturer. I årtier, selvom, forskere har forsøgt at lokke kolloide kugler til at indrette sig i meget mere tyndt befolkede gitter for at frigøre potentielt værdifulde optiske egenskaber. Disse strukturer, kaldet fotoniske krystaller, kan øge effektiviteten af ​​lasere, yderligere miniaturisere optiske komponenter, og øger ingeniørernes evne til at kontrollere lysstrømmen markant.

Et team af ingeniører og forskere fra NYU Tandon School of Engineering Department of Chemical and Biomolecular Engineering, NYU Center for Soft Matter Research, og Sungkyunkwan University School of Chemical Engineering i Republikken Korea rapporterer, at de har fundet en vej mod selvsamling af disse undvigende fotoniske krystalstrukturer, der aldrig er samlet før på sub-mikrometerskalaen (en mikrometer er cirka 100 gange mindre end diameteren på en streng af menneskehår).

Forskningen, som fremgår af journalen Naturmaterialer , introducerer et nyt designprincip baseret på forudmonterede komponenter i den ønskede overbygning, meget som et præfabrikeret hus begynder som en samling af færdigbyggede sektioner. Forskerne rapporterer, at de var i stand til at samle de kolloidale kugler til diamant- og pyrochlor -krystalstrukturer - en særlig vanskelig udfordring, fordi så meget plads er tilbage.

Holdet, bestående af Etienne Ducrot, en postdoktoral forsker ved NYU Center for Soft Matter Research; Mingxin Han, en doktorand i kemisk og biomolekylær teknik ved NYU Tandon; Gi-Ra Yi fra Sungkyunkwan University; og David J. Pine, formand for Institut for Kemisk og Biomolekylær Teknik ved NYU Tandon School of Engineering og en NYU professor i fysik i NYU College of Arts and Science, tog inspiration fra en metallegering af magnesium og kobber, der forekommer naturligt i diamant- og pyrochlorstrukturer som undergitter. De så, at disse komplekse strukturer kunne nedbrydes til enkeltkugler og tetraedriske klynger (fire kugler permanent bundet). For at indse dette i laboratoriet, de forberedte submikron plastkolloide klynger og kugler, og anvendte DNA-segmenter bundet til deres overflade for at lede selvsamlingen ind i den ønskede overbygning.

"Vi er i stand til at bygge disse komplekse strukturer, fordi vi ikke starter med enkelte sfærer som byggesten, men med færdigmonterede dele, der allerede er 'limet' sammen, "Sagde Ducrot." Vi fylder de strukturelle hulrum i diamantgitteret med en interpenetreret struktur, pyrochloren, det er tilfældigvis lige så værdifuldt som diamantgitteret til fremtidige fotoniske applikationer. "

Ducrot sagde åbne kolloide krystaller, såsom dem med diamant- og pyrochlorkonfigurationer, er ønskelige, fordi, når det er sammensat af det rigtige materiale, de kan have fotoniske båndgab - lysfrekvensområder, der ikke kan forplante sig gennem strukturen - hvilket betyder, at de kan være for lys, hvad halvledere er for elektroner.

"Denne historie har været længe undervejs, da disse materielle egenskaber er blevet forudsagt for 26 år siden, men indtil nu, der var ingen praktisk vej til at bygge dem, "sagde han." For at opnå et båndgab i den synlige del af det elektromagnetiske spektrum, partiklerne skal være i størrelsesordenen 150 nanometer, som er i det kolloidale område. I et sådant materiale, lys bør rejse uden spredning langs en defekt, muliggøre konstruktion af chips baseret på lys. "

Pine sagde, at selvsamlingsteknologi er afgørende for at gøre produktionen af ​​disse krystaller økonomisk gennemførlig, fordi det ville være ekstremt dyrt og meget udfordrende at skabe massemængder af krystaller med litografiteknikker i den korrekte skala.

"Selvmontering er derfor en meget tiltalende måde til billigt at skabe krystaller med et fotonisk båndgab i store mængder, "Sagde Pine.