En enkel, skalerbar metode, der bruger let til 3D-print af spiralformede nanostrukturer

En ny fremstillingsproces for spiralformede metalnanopartikler giver en enklere og billigere måde at hurtigt producere et materiale, der er vigtigt for biomedicinske og optiske enheder, ifølge en undersøgelse foretaget af forskere fra University of Michigan.

"En af vores motivationsfaktorer er drastisk at forenkle fremstillingen af ​​komplekse materialer, der repræsenterer flaskehalse i mange nuværende teknologier," sagde Nicholas Kotov, Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering ved U-M og co-korresponderende forfatter til undersøgelsen, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Chirale overflader - hvilket betyder, at overfladen mangler spejlsymmetri (f.eks. en venstre og højre hånd) - der har evnen til at bøje lys på nanoskala, er meget efterspurgte. Den nye undersøgelse viser en måde at lave dem på ved at 3D-printe "skove" af nanoskala helixer. Justering af helixernes akser med en lysstråle skaber stærk optisk rotation, hvilket gør det muligt at udnytte chiralitet i sundheds- og informationsteknologier, hvor chiralitet er almindeligt.

Chirale overflader fra plasmoniske metaller er endnu mere ønskelige, fordi de kan producere en stor familie af meget følsomme biodetektorer. For eksempel kan de opdage specifikke biomolekyler - produceret af farlige lægemiddelresistente bakterier, muterede proteiner eller DNA - som kan hjælpe med udviklingen af ​​målrettede terapeutiske midler. Disse materialer tilbyder også potentiale til at fremme informationsteknologier, skabe større datalagringskapacitet og hurtigere behandlingshastigheder ved at udnytte lysets interaktion med elektroniske systemer (dvs. fiberoptiske kabler).

Selvom disse specielle 3D-strukturerede overflader fra stand-up helixer er meget nødvendige, er de traditionelle metoder til at lave dem komplekse, dyre og skaber en masse affald.

Oftest fremstilles disse materialer ved hjælp af højt specialiseret hardware - såsom to-foton 3D litografi eller ion/elektron-stråle-induceret aflejring - kun tilgængelig i nogle få avancerede faciliteter. Selvom de er nøjagtige, involverer disse metoder tidskrævende flertrinsbehandling ved lavt tryk eller høje temperaturforhold.

3D-print er blevet foreslået som et alternativ, men eksisterende 3D-printteknologier tillader ikke opløsning i nanoskala. Som en løsning udviklede U-M forskerholdet en metode, der bruger spiralformede lysstråler til at producere nanoskala spiraler med specifik håndhed og pitch.

"Chirale plasmoniske overflader i centimeterskala kan fremstilles inden for få minutter ved hjælp af billige lasere med mellemkraft. Det var fantastisk at se, hvor hurtigt disse spiralformede skove vokser," sagde Kotov.

3D-printning af spiralformede strukturer med spiralformet lys er baseret på den lys-til-stof-kiralitetsoverførsel, der blev opdaget ved U-M for omkring 10 år siden.

Enkelttrins, maskefri, direct-write-udskrivning fra vandige opløsninger af sølvsalt giver et alternativ til nanolitografi, mens den fremmer 3D-additiv fremstilling. Bearbejdningsenkelheden, den høje polarisationsrotation og den fine rumlige opløsning af lysdrevet udskrivning af helixer fra metal vil i høj grad fremskynde forberedelsen af ​​kompleks nanoskalaarkitektur til den næste generation af optiske chips.

Flere oplysninger: Ji-Young Kim et al., Direct-write 3D-print af plasmoniske nanohelicoider med cirkulært polariseret lys, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312082121

Leveret af University of Michigan College of Engineering