Lys vrider stive strukturer i uventet nanoteknisk fund

(PhysOrg.com) - I fund, der tog forsøgslederne tre år at tro, Ingeniører fra University of Michigan og deres samarbejdspartnere har demonstreret, at lyset i sig selv kan sno bånd af nanopartikler.

Resultaterne er offentliggjort i den aktuelle udgave af Videnskab .

Materiale bøjer let og vrider lys. Det er mekanismen bag optiske linser og polariserende 3D-filmbriller. Men den modsatte vekselvirkning er sjældent blevet observeret, sagde Nicholas Kotov, hovedforsker på projektet. Kotov er professor i afdelingerne for kemiteknik, Biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik.

Selvom lys har været kendt for at påvirke stof på molekylær skala --- bøjning eller vridning af molekyler et par nanometer i størrelse --- er det ikke blevet observeret, hvilket forårsager en så drastisk mekanisk vridning til større partikler. Nanopartikelbåndene i denne undersøgelse var mellem en og fire mikrometer lange. En mikrometer er en milliontedel af en meter.

"Jeg troede ikke på det i starten, "Sagde Kotov." For at være ærlig, det tog os tre og et halvt år at virkelig finde ud af, hvordan fotoner af lys kan føre til en så bemærkelsesværdig ændring i stive strukturer, der er tusind gange større end molekyler. "

Kotov og hans kolleger havde i denne undersøgelse sat sig for at skabe "superkirale" partikler --- spiraler af blandede metaller i nanoskala, der teoretisk set kunne fokusere synligt lys til pletter, der er mindre end dens bølgelængde. Materialer med dette unikke "negative brydningsindeks" kunne være i stand til at producere Klingon-lignende usynlighedskapper, sagde Sharon Glotzer, en professor i afdelingerne for kemiteknik og materialevidenskab og teknik, der også var involveret i eksperimenterne. De snoede nanopartikelbånd vil sandsynligvis føre til de superkirale materialer, siger professorerne.

For at starte eksperimentet, forskerne spredte nanopartikler af cadmiumtellurid i en vandbaseret opløsning. De kontrollerede dem periodisk med kraftige mikroskoper. Efter cirka 24 timer under lys, nanopartiklerne havde samlet sig til flade bånd. Efter 72 timer, de havde snoet og bundtet sig sammen i processen.

Men da nanopartiklerne blev efterladt i mørket, tydelig, lang, der blev dannet lige bånd.

"Vi opdagede, at hvis vi laver flade bånd i mørket og derefter belyser dem, vi ser en gradvis vridning, vridning, der øges, når vi skinner mere lys, "Sagde Kotov." Dette er meget usædvanligt på mange måder. "

Lyset vrider båndene ved at forårsage et stærkere frastød mellem nanopartikler i dem.

Det snoede bånd er en ny form inden for nanoteknologi, Sagde Kotov. Udover superkirale materialer, han forestiller sig smarte applikationer til formen og teknikken, der bruges til at skabe jeg den. Sudhanshu Srivastava, en postdoktor i sit laboratorium, forsøger at få spiralerne til at rotere.

"Han får meget små propeller til at bevæge sig gennem væske --- ubåde i nanoskala, hvis du vil, "Sagde Kotov." Du ser ofte dette motiv af snoede strukturer i bakterier og cellers mobilitetsorganer. "

Ubådene i nanoskala kunne tænkes at blive brugt til levering af lægemidler og i mikrofluidiske systemer, der efterligner kroppen til forsøg.

Denne nyopdagede vridningseffekt kan også føre til mikroelektromekaniske systemer, der styres af lys. Og det kunne bruges i litografi, eller mikrochipproduktion.

Glotzer og Aaron Santos, en postdoktor i hendes laboratorium, udført computersimuleringer, der hjalp Kotov og hans team med bedre at forstå, hvordan båndene dannes. Simuleringerne viste, at under visse omstændigheder, den komplekse kombination af kræfter mellem de tetraedrisk formede nanopartikler kunne sammensværge for at producere bånd af lige den bredde, der blev observeret i eksperimenterne. Et tetraeder er en pyramideformet, tredimensionel polyeder.

"Den præcise styrkeforhold, der fører til selvsamling af bånd, er meget afslørende, "Glotzer sagde." Det kunne bruges til at stabilisere andre nanostrukturer lavet af ikke-sfæriske partikler. Det handler om, hvordan partiklerne vil pakke sig selv. "