Forskere udvikler metode til at skabe kolloide diamanter

Den kolloide diamant har været en drøm for forskere siden 1990'erne. Disse strukturer - stabile, selv-samlede formationer af minimale materialer - har potentialet til at gøre lysbølger lige så nyttige som elektroner i databehandling, og holder løfte for en lang række andre applikationer. Men mens ideen om kolloide diamanter blev udviklet for årtier siden, ingen var i stand til pålideligt at producere strukturerne. Indtil nu.

Forskere ledet af David Pine, professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NYU Tandon School of Engineering og professor i fysik ved NYU, har udtænkt en ny proces til pålidelig selvsamling af kolloider i en diamantformation, der kan føre til billige, skalerbar fremstilling af sådanne strukturer. Opdagelsen, detaljeret i "Kolloid diamant, ", der vises i udgaven af ​​24. september af Natur , kunne åbne døren til højeffektive optiske kredsløb, der fører til fremskridt inden for optiske computere og lasere, lysfiltre, der er mere pålidelige og billigere at producere end nogensinde før, og meget mere.

Pine og hans kolleger, inklusive hovedforfatter Mingxin He, en postdoc ved Institut for Fysik ved NYU, og den tilsvarende forfatter Stefano Sacanna, lektor i kemi ved NYU, har studeret kolloider og de mulige måder, de kan struktureres på i årtier. Disse materialer, består af kugler, der er hundredvis af gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår, kan arrangeres i forskellige krystallinske former afhængigt af hvordan kuglerne er forbundet med hinanden. Hvert kolloid binder sig til et andet ved hjælp af DNA-strenge limet til overflader af kolloiderne, der fungerer som en slags molekylær velcro. Når kolloider kolliderer med hinanden i et væskebad, DNA-snapperne og kolloiderne er forbundet. Afhængigt af hvor DNA'et er knyttet til kolloidet, de kan spontant skabe komplekse strukturer.

Denne proces er blevet brugt til at skabe strenge af kolloider og endda kolloider i en kubisk formation. Men disse strukturer producerede ikke fotonikkens hellige gral – et båndgab for synligt lys. Ligesom en halvleder filtrerer elektroner fra et kredsløb, et båndgab frafiltrerer visse bølgelængder af lys. Filtrering af lys på denne måde kan opnås pålideligt af kolloider, hvis de er arrangeret i en diamantformation, en proces, der anses for at være for vanskelig og dyr at udføre i kommerciel skala.

"Der har været et stort ønske blandt ingeniører om at lave en diamantstruktur, " sagde Pine. "De fleste forskere havde opgivet det, for at fortælle jer sandheden – vi er måske den eneste gruppe i verden, der stadig arbejder på dette. Så jeg tror, ​​at udgivelsen af ​​avisen vil komme som noget af en overraskelse for samfundet."

Efterforskerne, herunder Etienne Ducrot, en tidligere postdoc ved NYU Tandon, nu på Centre de Recherche Paul Pascal - CNRS, Pessac, Frankrig; og Gi-Ra Yi fra Sungkyunkwan University, Suwon, Sydkorea, opdagede, at de kunne bruge en sterisk låsemekanisme, der spontant ville producere de nødvendige forskudte bindinger for at gøre denne struktur mulig. Da disse pyramidale kolloider nærmede sig hinanden, de kædede sammen i den nødvendige orientering for at generere en diamantformation. I stedet for at gennemgå den omhyggelige og dyre proces med at bygge disse strukturer ved hjælp af nanomaskiner, denne mekanisme gør det muligt for kolloiderne at strukturere sig selv uden behov for ekstern interferens. Desuden, diamantstrukturerne er stabile, selv når væsken de dannes i fjernes.

Opdagelsen blev gjort, fordi han, en kandidatstuderende ved NYU Tandon på det tidspunkt, bemærkede et usædvanligt træk ved de kolloider, han syntetiserede i en pyramideformet formation. Han og hans kolleger tegnede alle måder, hvorpå disse strukturer kunne forbindes. Når de skete på en bestemt sammenkædet struktur, de indså, at de havde fundet den rigtige metode. "Efter at have skabt alle disse modeller, vi så straks, at vi havde skabt diamanter, " sagde han.

"Dr. Pines længe søgte demonstration af de første selvsamlede kolloide diamantgitre vil frigøre nye forsknings- og udviklingsmuligheder for vigtige teknologier fra forsvarsministeriet, som kunne drage fordel af 3-D fotoniske krystaller, " sagde Dr. Evan Runnerstrøm, programleder, Hærens forskningskontor (ARO), et element af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

Han forklarede, at potentielle fremtidige fremskridt omfatter applikationer til højeffektive lasere med reduceret vægt og energikrav til præcisionssensorer og styrede energisystemer; og præcis kontrol af lys til 3-D integrerede fotoniske kredsløb eller optisk signaturstyring.

"Jeg er begejstret for dette resultat, fordi det vidunderligt illustrerer et centralt mål for ARO's Materials Design Program - at understøtte højrisiko, forskning med høj belønning, der åbner bottom-up-ruter til at skabe ekstraordinære materialer, som tidligere var umulige at lave."

Holdet, som også inkluderer John Gales, en kandidatstuderende i fysik ved NYU, og Zhe Gong, en postdoc ved University of Pennsylvania, tidligere kandidatstuderende i kemi ved NYU, er nu fokuseret på at se, hvordan disse kolloide diamanter kan bruges i praktiske omgivelser. De skaber allerede materialer ved hjælp af deres nye strukturer, der kan filtrere optiske bølgelængder fra for at bevise deres anvendelighed i fremtidige teknologier.