DNA designer:3D plasmoniske fotoniske krystaller er de første enheder fremstillet ved DNA-styret kolloid krystallisation

(Phys.org) – Efterhånden som bioteknologi og nanoteknologi fortsætter med at smelte sammen, DNA-programmerbare metoder er dukket op som en måde at give hidtil uset kontrol over samlingen af ​​nanopartikler i komplekse strukturer, herunder tilpasselige periodiske strukturer kendt som supergitter, der tillader finjustering af samspillet mellem lys og højt organiserede samlinger af partikler. Gitterstrukturer har historisk set været todimensionelle, fordi fremstilling af tredimensionelle DNA-gitre har været for vanskelig, mens tredimensionelle dielektriske fotoniske krystaller har veletablerede forbedrede lys-stof-interaktioner. Imidlertid, mangel på syntetiske midler til at skabe plasmoniske krystaller (dem, der udnytter overfladeplasmoner, der er produceret af lysets interaktion med metal-dielektriske materialer) baseret på arrays af nanopartikler har forhindret dem i at blive eksperimentelt studeret. På samme tid, det er blevet foreslået, at polaritoniske fotoniske krystaller (PPC'er) - plasmoniske modstykker til fotoniske krystaller - kan forhindre lysudbredelse og åbne et fotonisk båndgab (også kendt som et polaritongab) ved stærk kobling mellem overfladeplasmoner og fotoniske tilstande, hvis krystallen er i en dyb subbølgelængde størrelse regime. ( Polaritoner er kvasipartikler, der er et resultat af stærk kobling af elektromagnetiske bølger med en elektrisk eller magnetisk dipol-bærende excitation.)

Til det formål, forskere ved Northwestern University rapporterede for nylig om stærke lys-plasmon-interaktioner inden for 3D-plasmoniske fotoniske krystaller, der har gitterkonstanter og nanopartikeldiametre, der kan styres uafhængigt i det dybe subbølgelængde-størrelsesregime ved at bruge en DNA-programmerbar samlingsteknik - de første enheder fremstillet af DNA- styret kolloid krystallisation. Forskerne har vist, at de kan tune interaktionen mellem lys og de kollektive elektroniske tilstande af guldnanopartikler ved uafhængigt at justere gitterkonstanter og guldnanopartikeldiametre, tilføjer, at deres resultater i tuning interaktioner mellem lys og højt organiserede nanoskala samlinger af partikler tyder på muligheden for applikationer, der inkluderer lasere, kvanteelektrodynamik og biosensing.

Prof. George C. Schatz diskuterede papiret, at han, Prof. Chad A. Mirkin, hovedforfatter Daniel J. Park og deres medforfattere udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences ved først at tage fat på de vigtigste udfordringer, som forskerne stødte på i at tune samspillet mellem lys og de kollektive elektroniske tilstande af guldnanopartikler ved uafhængigt at justere gitterkonstanter og guldnanopartikeldiametre. "Bølgelængden forbundet med fotoniske resonanstilstande" - såsom Fabry-Pérot-interaktionerne, der forekommer med interferometre af samme navn - "er defineret af en interferenstilstand, der afhænger af mikrostrukturens geometri, såvel som på det effektive brydningsindeks for materialet i mikrostrukturen, " fortæller Schatz Phys.org . "På samme tid, bølgelængden af ​​plasmonresonanser i en guldnanopartikel bestemmes af kollektiv elektronexcitation i partiklen og afhænger af størrelsen og formen af ​​nanopartiklerne såvel som af guldets brydningsindeks." Forskerne adresserede dette ved at fremstille supergittermaterialer, der giver mulighed for uafhængig tuning disse to bølgelængder, og derfor at studere vekselvirkningerne mellem resonanstilstandene. I øvrigt, tilføjer han, forskerne fandt en række supergitter- og nanopartikelparametre, hvor de fotoniske tilstande kunne observeres både nedenfor og over plasmonenergien – dvs. dens resonansbølgelængde - gør dem i stand til at observere et båndgab, der indikerer stærk kobling mellem tilstandene.

Et andet nøgleaspekt af deres forskning var at bruge DNA-styret kolloid krystallisation til uafhængigt at kontrollere stærke lys-plasmon-interaktioner inden for 3D plasmoniske fotoniske krystaller, der har gitterkonstanter og nanopartikeldiametre, samt syntetisering af plasmoniske PPC'er (polaritoniske fotoniske krystaller) fra guld nanopartikler. "Før vores papir og arbejde udgivet sidste år ¹ af vores kolleger på Northwestern i Prof. Mirkins gruppe, den DNA-styrede krystallisationsmetode var blevet udviklet til fremstilling af supergittermaterialer med variabel guldpartikelstørrelse og gitterafstand, " forklarer Schatz.

"Imidlertid, " fortsætter han, "materialerne var polykrystallinske, og udviste derfor ikke veldefinerede fotoniske tilstande, der kan give mulighed for at undersøge interaktionen mellem lys- og overfladeplasmoner. Et vigtigt fremskridt var opdagelsen ¹ af en metode til fremstilling af supergitter-enkeltkrystaller med en veldefineret krystalvane – dvs. en rombisk dodekaedrisk form - og variabel størrelse i størrelsesordenen nogle få mikron." Ikke desto mindre, det var stadig uklart, at der ville være optiske tilstande af høj nok kvalitet til, at Fabry-Pérot-resonanser kunne observeres og blive tunet hen over plasmonresonansen. "Det tog flere måneder at teoretisk og eksperimentelt sondere og bekræfte tilstedeværelsen af ​​Fabry-Pérot-resonanser, " tilføjer Schatz.

Schatz og hans kolleger adresserede disse udfordringer ved at bruge målinger af tilbagespredning – reflektion af bølger, partikler, eller signalerer tilbage til kilderetningen – for at sondere Fabry-Pérot-tilstande. "Selvom tilbagespredningsmålinger er blevet brugt i andre sammenhænge, dette var den første anvendelse af denne teknologi på DNA-supergitterkrystaller, og det var ikke umiddelbart klart for os, at Fabry-Pérot-resonanser kunne observeres for denne krystalvane og materialevalg, " bemærker Schatz. Men, som beskrevet i deres nuværende papir, forskerne udviklede en realistisk teoretisk model af dette eksperiment, der forudsagde eksistensen af ​​Fabry-Pérot-tilstande og muligheden for at observere dem via tilbagespredning, mens de udførte eksperimenterne. "Dette stimulerede os til at udføre eksperimenterne og fortsætte med dette arbejde, selvom de tidlige resultater var af dårlig kvalitet. Desuden, vi brugte beregningsmodellen til at vejlede i at optimere eksperimentet – inklusive arbejdet, hvor vi coatede PPC'er med sølv."

I deres papir, forskerne diskuterede yderligere fotoniske undersøgelser og mulige anvendelser i lasere, hulrums kvanteelektrodynamik, kvanteoptik, kvante mange-krops dynamik, biosensing og andre områder foreslået ved tuning af lys-plasmon-interaktioner i nanoskala. "Tidligere arbejde har observeret kvanteelektrodynamisk adfærd i dielektriske optiske hulrum, herunder forstærket og undertrykt fluorescens fra emittere i disse hulrum. De nuværende eksperimenter tyder på, at denne type måling kan udvides til hulrum, hvor hybride plasmoniske/fotoniske tilstande forekommer." Han understreger, at mens kvanteelektrodynamiske fænomener via 2D hybride plasmoniske/fotoniske tilstande allerede er blevet observeret i de sidste mange år, deres system åbner en unik mulighed for at bruge 3D-krystaltilstande, der indeholder plasmoniske egenskaber. "Som en mulig ansøgning, da plasmonforstærkede lasere er blevet observeret med 2D-gitter, den vellykkede observation af 3D hybride fotonisk-plasmoniske tilstande tyder på, at sådanne lasere kan forberedes til 3D-gitter."

Et andet interessant fund er tunbarheden af ​​DNA-forbindelser og den tilsvarende volumenfraktion af de plasmoniske elementer. "Tilpasning af DNA-forbindelserne giver mulighed for at ændre gitterkonstanten, Schatz forklarer, "og med en vis størrelse af nanopartikler, ved at variere gitterkonstanten kan vi justere guldvolumenet."

Da de blev spurgt, om deres resultater kunne interagere med eller bidrage til udviklingen inden for syntetisk biologi og syntetisk genomik, samt den accelererende integration af bioteknologi og nanoteknologi i translationel medicin, Schatz påpegede, at DNA giver en syntetisk 'krog', der kan forbindes med syntetisk biologi. "We can therefore envision using the genetic programmability of DNA as input to the synthesis of fluorescent proteins in precise locations, " adding that the medical applications of DNA-programmed superlattice materials are only at the concept stage. "From earlier work in the Mirkin group, we know how to use gold nanoparticles coated with DNA in medical diagnostics and therapeutics, so one can imagine future applications where these applications are extended to superlattices. A key point is that the superlattices provide a systematic tool for building structures that combine together inorganic components, such as metal or semiconductor nanoparticles with biomolecules."

Bevæger sig fremad, Schatz says, the researchers need to generalize the menu of superlattice crystals. "The micron-scale crystal habits exhibit other photonic modes – that is, functionalities – such as whispering gallery resonance and light focusing. Ud over, other nanoparticle components such as silver nanoparticles and quantum dots can be incorporated into superlattices." This means that the scientists can play with a large number of photonic/electronic degrees of freedom within the framework of a DNA superlattice. "Therefore, we need to establish a well-defined set of photonic applications and studies utilizing and combining those physical degrees of freedom – and theory will play an important role in this process."

In terms of additional innovations, Schatz tells Phys.org that "now that we know that plasmon-photonic interactions can exhibit strong coupling, we need to expand this research, probably with different nanoparticles and with different types of photonic resonances. For eksempel, we can incorporate anisotropic nanoparticles that exhibit more interesting plasmonic response to polarization of light – and utilizing other available photonic modes that exhibit light focusing features, we can think about developing optical components such as a plasmonic microlens. Endelig, synthesizing quantum dot nanoparticle superlattices, we can perform fundamental physics studies related to the collective exciton emission."

Schatz concludes that other areas of research might also benefit from their study. "We're excited about the possibility of using superlattice materials not just in photonics, but also in energy-related applications, including photovoltaics, photocatalysis, and batteries."

© 2015 Phys.org