Metode til symmetribrud i feedback-drevet selvsamling af optiske metamaterialer

(Phys.org) —Hvis du ensartet kan bryde symmetrien af ​​nanorod-par i en kolloid opløsning, du er et skridt foran spillet i retning af at opnå nye og spændende metamaterialeegenskaber. Men traditionel termodynamisk -drevet kolloidal samling af disse metamaterialer, som er materialer defineret ved deres ikke-naturligt forekommende egenskaber, resulterer ofte i strukturer med høj grad af symmetri i bulkmaterialet. I dette tilfælde, energibehovet tillader ikke strukturen at bryde sin symmetri.

I en undersøgelse ledet af Xiang Zhang, direktør for Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab, han og hans forskningsgruppe ved University of California (UC) Berkeley opnåede for første gang symmetri-afbrydelse i en metamaterialeløsning i bulk. Zhang og hans gruppe demonstrerede selvsamlede optiske metamaterialer med skræddersyede brudsymmetrier og dermed unikke elektromagnetiske reaktioner, der kan opnås via deres nye metode. Resultaterne er offentliggjort i Natur nanoteknologi . Papiret har titlen "Feedback-driven selvsamling af symmetri-afbrydende optiske metamaterialer i opløsning."

"Vi udviklede en innovativ selvsamlingsrute, som kunne overgå den konventionelle termodynamiske grænse i kemiske syntetiske systemer" forklarer Sui Yang, hovedforfatter af Nature Nanotechnology papiret og medlem af Zhangs forskningsgruppe. "Helt konkret, vi bruger materialets egen egenskab som en selvkorrektionsfeedbackmekanisme til selv at bestemme den endelige struktur."

Dette førte til, at gruppen producerede nanostrukturer, der historisk set har været anset for umulige at samle.

Den udbredte metode til metamaterialesyntese er fremstilling ovenfra og ned såsom elektronstråle eller fokusionstråle litografi, der ofte resulterer i stærkt anisotrope og småskala metamaterialer.

"Folk bygger metamaterialer ved hjælp af top-down metoder, der inkluderer lyseksponering og elektronstråleeksponering, som er ineffektive og dyre, "siger Xingjie Ni, en anden hovedforfatter på papiret. "Hvis vi vil bruge metamaterialer, vi skal udvikle en måde at bygge dem billigt og effektivt på. "

Bottom-up-ruten opfylder disse krav. Startende med en opløsning af kolloide nanorods, Yang og Ni byggede på den almindelige selvsamlingsteknik, der bruges til at bygge nanopartikler. Det twist, de tilføjede, var at indføre en feedback-mekanisme, hvorved man opnår det ønskede produkt.

Det ønskede produkt ved syntetisering af kolloid guld nanorods, som stabiliseres under væksten for at opnå præferencebinding langs langsgående facetter, er par stænger, eller dimerer, der forskydes med en vis mængde:deres symmetri er ensartet brudt.

"Når du får denne reaktion, du får alle slags produkter. I har et par nanoroder uden slet skift i forhold til hinanden; eller et par, der er forskudt for meget; eller ikke nok. Dette er en typisk proces og styres af termodynamik, " forklarer Yang.

Holdet brugte en laser til at excitere den plasmoniske resonans af specifikke partikler produceret i reaktionen. Dette tillod dem at adskille de uønskede resonanser, indikerer nanorod-par, der ikke er forskudt den ønskede mængde, og adskille disse par ved hjælp af varme fra excitationen.

"Kun den ønskede resonans overlever i denne proces, " siger Ni. "Så kan reaktionen gentages for at producere mere af det ønskede, brudt-symmetri partikler baseret på deres plasmoniske signatur. Tydelig sondring i resonansprofiler gør dette til en yderst selektiv metode.

"Dette er en helt ny selvsamlende fremstillingsmetode, som folk almindeligvis kan anvende:vi bruger materialets egne egenskaber til at drive nanostrukturdannelse i opløsning. Dette har den iboende værdi af at lave mange strukturer i én batch."

Metoden udviklet i Zhangs forskergruppe kan anvendes på mange andre nanopartikler; Ja, næsten enhver struktur, der kan samles selv, kunne produceres på denne måde. Dette løser problemet med at opnå symmetrisk brud i stor skala, og kan åbne døren til nye ejendomme og applikationer.

Den unikke feedbackmekanisme fører til præcist kontrollerede nanostrukturer med mere end konventionelle symmetrier og funktionaliteter.

"Som en demonstration i vores avis, vi har syntetiseret en ny klasse af symmetri-brydende optiske metamaterialer, der har isotropiske elektromagnetiske reaktioner og kan bruges i en række vigtige applikationer, såsom billedbehandling med subbølgelængde, optisk tilsløring og sensing, " siger Yang.

"I modsætning til den konventionelle visdom, at et materiales struktur bestemmer dets egenskaber, vi foreslår provokativt, at materialers fysiske egenskaber, af design, kan diktere udviklingen af ​​selvsamling og selv bestemme strukturerne af bulkmaterialer." afslutter Zhang.