p Quando John Crocker, um professor de engenharia química e biomolecular na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia era um estudante de graduação, seu orientador reuniu todos em seu laboratório para "lançar o desafio" em um novo desafio no campo. p Alguém previu que, se pudéssemos cultivar cristais coloidais que tivessem a mesma estrutura dos átomos de carbono em uma estrutura de diamante, teria propriedades ópticas especiais que poderiam revolucionar a fotônica. Neste material, chamado de material bandgap fotônico, ou PBM, a luz agiria de uma maneira matematicamente análoga a como os elétrons se movem em um semicondutor.

p “A implicação tecnológica é que tais materiais permitiriam a construção de 'transistores' para luz, a capacidade de capturar a luz em locais específicos e construir microcircuitos para luz e LEDs e lasers mais eficientes, "Crocker disse.

p No momento, Crocker decidiu seguir seus próprios projetos, deixando a busca de PBMs para outros.

p Vinte anos depois, O aluno de pós-graduação de Crocker, Yifan Wang, produziu esta estrutura de diamante evasivo enquanto trabalhava em um problema diferente, Acidentalmente. Isso os colocou no caminho para alcançar PBMs, o "Santo Graal da automontagem de partículas dirigidas, "Crocker disse.

p "É uma história clássica de serendipidade na descoberta científica. Você não pode antecipar essas coisas. Você simplesmente tem sorte às vezes e algo incrível acontece."

p A pesquisa foi liderada por Crocker, Wang, professor Talid Sinno do SEAS e estudante de pós-graduação Ian Jenkins. Os resultados foram publicados em Nature Communications .

p Para ser um PBM, um material precisa ter uma estrutura semelhante a um cristal, não na escala de átomos, mas na escala de comprimento do comprimento de onda da luz.

p "Em outras palavras, "Crocker disse, "você precisa esculpir ou organizar algum material transparente em uma série de esferas com uma simetria particular, e as esferas ou buracos precisam ter centenas de nanômetros de tamanho. "

p Na década de 1990, Crocker disse, os cientistas acreditavam que haveria muitas maneiras diferentes de organizar as esferas e aumentar a estrutura necessária usando cristais coloidais semelhantes a como os cristais de semicondutores crescem:esferas coloidais se organizando espontaneamente em diferentes redes de cristal.

p As opalas são um exemplo natural disso. Eles são formados quando a sílica nas águas subterrâneas forma esferas microscópicas, que se cristalizam no subsolo e depois se fossilizam em sólidos.

p Embora as opalas não tenham a simetria certa para serem PBMs, sua aparência iridescente resulta de sua estrutura de cristal periódica estar em escalas comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz.

p Para formar um PBM, o objetivo principal é organizar esferas microscópicas transparentes em um padrão 3-D que imita o arranjo atômico dos átomos de carbono em uma rede de diamante. Esta estrutura, ao contrário de outros cristais, carece de certas direções de simetria de outros cristais onde a luz pode se comportar normalmente, permitindo que a estrutura de diamante mantenha o efeito PBM.

p Os cientistas presumiram que seriam capazes de fazer opalas sintéticas com diferentes estruturas usando diferentes materiais para produzir PBMs. Mas isso se provou mais difícil do que eles pensavam e, 20 anos depois, ainda não foi realizado.

p Para finalmente criar essas redes de diamante, os pesquisadores da Penn usaram microesferas cobertas de DNA em dois tamanhos ligeiramente diferentes.

p "Estes espontaneamente formam cristais coloidais quando incubados na temperatura correta, devido ao DNA que forma pontes entre as partículas, "Crocker disse." Sob certas condições, os cristais têm uma estrutura de diamante duplo, duas redes de diamante interpenetrantes, cada um composto por um tamanho ou 'sabor' de partícula. "

p Eles então reticularam esses cristais em um sólido.

p Crocker descreve a conquista como boa sorte. Os pesquisadores não se propuseram a criar essa estrutura de diamante. Eles estavam fazendo um experimento de "misturar e orar":Wang estava ajustando cinco variáveis ​​materiais para explorar o espaço de parâmetros. A data, isso produziu 11 cristais diferentes, uma delas foi a surpreendente estrutura de diamante duplo.

p "Muitas vezes, quando algo inesperado acontece, abre uma porta para uma nova abordagem tecnológica, "Sinno disse." Poderia haver uma nova física em oposição à física empoeirada dos velhos livros didáticos. "

p Agora que eles eliminaram um obstáculo significativo no caminho para a criação de PBMs, os pesquisadores precisam descobrir como trocar os materiais por partículas de alto índice e dissolver seletivamente uma espécie para deixá-los com uma estrutura de diamante automontada de microesferas coloidais.

p Se for capaz de produzir com sucesso um PBM, o material seria como um "semicondutor de luz, "tendo propriedades ópticas incomuns que não existem em nenhum material natural. Materiais transparentes normais têm um índice de refração entre 1,3 e 2,5. Esses PBMs podem ter um índice de refração muito alto, ou mesmo um índice negativo de refração que refrata a luz para trás.

p Esses materiais podem ser usados ​​para fazer lentes, câmeras e microscópios com melhor desempenho, ou possivelmente até mesmo "mantos de invisibilidade, "objetos sólidos que redirecionariam todos os raios de luz ao redor de um compartimento central, tornando os objetos invisíveis.

p Embora os pesquisadores tenham sido capazes de reproduzir isso experimentalmente mais de uma dúzia de vezes, Sinno e Jenkins não conseguiram reproduzir as descobertas na simulação. É a única estrutura dos 11 cristais que Wang produziu que não foi capaz de replicar na simulação.

p "Esta é a única estrutura que encontramos até agora que não podemos explicar, o que provavelmente não está relacionado ao fato de que ninguém previu que você poderia formá-la com este sistema, "Sinno disse." Existem vários outros artigos que tivemos no passado que realmente mostram como nossas abordagens são poderosas para explicar tudo. De certa forma, o fato de nada disso ter funcionado acrescenta evidências de que algo fundamentalmente diferente está acontecendo aqui. "

p Os pesquisadores atualmente pensam que um diferente, cristal desconhecido cresce e depois se transforma em cristais de diamante duplo, mas essa ideia tem se mostrado difícil de confirmar.

p "Você está acostumado a escrever artigos quando entende algo, "Crocker disse." Então nós tínhamos um dilema. Normalmente, quando encontramos algo, nós o mastigamos por um tempo, fazemos simulações e, quando tudo faz sentido, escrevemos. Nesse caso, tivemos que verificar tudo três vezes e, em seguida, fazer um julgamento para dizer que esta é uma descoberta emocionante e outras pessoas além de nós também podem trabalhar nisso e pensar e nos ajudar a tentar resolver este mistério. "