Uma tela de smartphone que pode produzir imagens 3-D precisará ser capaz de torcer a luz que emite. Agora, pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade Ben-Gurion de Negev descobriram uma maneira de produzir semicondutores espirais em massa que podem fazer exatamente isso.
Em 1962, Os engenheiros da Universidade de Michigan, E. Leith e J. Upatnieks, revelaram imagens 3D realistas com a invenção da holografia prática. As primeiras imagens holográficas de pássaros em um trem foram feitas através da criação de ondas estacionárias de luz com pontos brilhantes e escuros no espaço, o que cria uma ilusão de objeto material. Foi possível controlando a polarização e a fase da luz, isto é, a direção e o tempo das flutuações das ondas eletromagnéticas.
As hélices semicondutoras criadas pela equipe liderada por U-M podem fazer exatamente isso com fótons que passam, refletido de, e emitido por eles. Eles podem ser incorporados em outros dispositivos semicondutores para variar a polarização, Estágio, e a cor da luz emitida pelos diferentes pixels, cada um deles feito de hélices semicondutoras precisamente projetadas.
Até agora, fazer espirais de semicondutores com torção suficientemente forte - uma reminiscência da massa fusilli em nanoescala - era uma perspectiva difícil porque o estado torcido não é natural para materiais semicondutores. Eles geralmente formam folhas ou fios. Mas Nicholas Kotov, Joseph B. e Florence V. Cejka, Professor de Engenharia Química e sua equipe, encontraram uma maneira de guiar a ligação de pequenas nanopartículas semicondutoras umas às outras, aprendendo com as estruturas torcidas da natureza:proteínas e DNA.
"Os aminoácidos são os blocos de construção quintessenciais das proteínas, "disse Wenchun Feng, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Kotov e o autor principal. "A direção da espiral das proteínas é determinada pela propriedade geométrica dos aminoácidos. Descobrimos que um aminoácido comum, cisteína, trabalhar juntos em grandes números pode torcer não apenas as proteínas, mas também os semicondutores. "
A equipe revestiu nanopartículas feitas de telureto de cádmio, um semicondutor capaz de emitir luz, com cisteína. As moléculas de cisteína vêm em duas formas que são imagens espelhadas uma da outra, por isso é conhecido como uma molécula "quiral". Eles observaram as nanopartículas se auto-montando espontaneamente em "tornados" semicondutores, seguindo a quiralidade direita ou esquerda do aminoácido.
Uma das descobertas inesperadas da equipe foi quão alta era a fidelidade desse processo de automontagem e quão forte era a torção das hélices. Quase todas - 98 por cento - das hélices semicondutoras tinham a mesma direção de torção e de fato pareciam fusilos em nanoescala. Algumas moléculas orgânicas podem formar espirais orgânicas, também, mas a capacidade de torção de luz das hélices semicondutoras feitas por Kotov e colegas é pelo menos cinco vezes mais forte e pode ser variada pelo campo elétrico.
Quando eles emitiram luz através dos semicondutores, eles registraram os fótons girando através deles. Por meio de uma combinação de experimentos e simulações de computador, os pesquisadores desenvolveram princípios e métodos de design para projetar as propriedades ópticas das hélices semicondutoras para as diferentes cores em futuros dispositivos de holografia.
Uma das consequências inesperadas desse projeto impulsionado pela tecnologia foi dar uma espiada nos mistérios que cercam como a vida pode ter surgido na Terra e por que muitas moléculas biológicas seguem confiavelmente uma espiral no sentido horário ou anti-horário. Kotov sugere que os aminoácidos, que são conhecidos por se formarem espontaneamente na poeira espacial, pode ter montado nanopartículas em espirais que distorceram a luz das primeiras estrelas, servindo como modelos inorgânicos estáveis para moléculas orgânicas e partículas seguirem o mesmo padrão.
O trabalho é descrito em um artigo na Science Advances intitulado, "Montagem de hélices de mesoescala com excesso enantiomérico próximo à unidade e interações luz-matéria para semicondutores quirais." Veja o resumo em advance.sciencemag.org/content/3/3/e1601159.
