Partículas coloidais, usado em uma variedade de aplicações técnicas, incluindo alimentos, tintas, tintas, e cosméticos, pode se automontar em uma variedade notável de estruturas cristalinas densamente compactadas. Por décadas, no entanto, pesquisadores têm tentado persuadir as esferas coloidais a se organizarem em redes muito mais escassamente povoadas, a fim de liberar propriedades ópticas potencialmente valiosas. Essas estruturas, chamados cristais fotônicos, poderia aumentar a eficiência dos lasers, miniaturizar ainda mais os componentes ópticos, e aumentar amplamente a capacidade dos engenheiros de controlar o fluxo de luz.

Uma equipe de engenheiros e cientistas do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Escola de Engenharia Tandon da NYU, o NYU Center for Soft Matter Research, e a Escola de Engenharia Química da Universidade Sungkyunkwan na República da Coréia relatam que encontraram um caminho para a automontagem dessas estruturas de cristal fotônico indescritível nunca montadas antes na escala submicrométrica (um micrômetro é cerca de 100 vezes menor que o diâmetro de uma mecha de cabelo humano).

A pesquisa, que aparece no jornal Materiais da Natureza , apresenta um novo princípio de design baseado em componentes pré-montados da superestrutura desejada, tanto quanto uma casa pré-fabricada começa como uma coleção de seções pré-construídas. Os pesquisadores relatam que foram capazes de montar as esferas coloidais em estruturas de cristal de diamante e pirocloro - um desafio particularmente difícil porque muito espaço é deixado desocupado.

O time, compreendendo Etienne Ducrot, um pesquisador de pós-doutorado no NYU Center for Soft Matter Research; Mingxin He, estudante de doutorado em engenharia química e biomolecular na NYU Tandon; Gi-Ra Yi da Universidade Sungkyunkwan; e David J. Pine, presidente do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da NYU Tandon School of Engineering e professor de física da NYU College of Arts and Science da NYU, inspirou-se em uma liga metálica de magnésio e cobre que ocorre naturalmente em estruturas de diamante e pirocloro como sub-redes. Eles viram que essas estruturas complexas poderiam ser decompostas em esferas únicas e aglomerados tetraédricos (quatro esferas permanentemente ligadas). Para perceber isso no laboratório, eles prepararam aglomerados e esferas coloidais de plástico sub-mícron, e utilizou segmentos de DNA ligados à sua superfície para direcionar a automontagem na superestrutura desejada.

"Somos capazes de construir essas estruturas complexas porque não estamos começando com esferas únicas como blocos de construção, mas com as peças pré-montadas já "coladas", "Ducrot disse." Nós preenchemos os vazios estruturais da rede do diamante com uma estrutura interpenetrada, o pirocloro, que passa a ser tão valioso quanto a rede de diamante para futuras aplicações fotônicas. "

Ducrot disse que os cristais coloidais abertos, como aqueles com configurações de diamante e pirocloro, são desejáveis ​​porque, quando composto do material certo, eles podem possuir lacunas de banda fotônica - faixas de frequência de luz que não podem se propagar através da estrutura - o que significa que eles poderiam ser para a luz o que os semicondutores são para os elétrons.

"Esta história está sendo elaborada há muito tempo, pois essas propriedades materiais foram previstas há 26 anos, mas até agora, não havia um caminho prático para construí-los, "disse ele." Para conseguir um gap na parte visível do espectro eletromagnético, as partículas precisam ser da ordem de 150 nanômetros, que está na faixa coloidal. Em tal material, a luz deve viajar sem dissipação ao longo de um defeito, possibilitando a construção de chips à base de luz. "

Pine disse que a tecnologia de automontagem é crítica para tornar a produção desses cristais economicamente viável porque criar grandes quantidades de cristais com técnicas de litografia na escala correta seria extremamente caro e muito desafiador.

"A automontagem é, portanto, uma maneira muito atraente de criar cristais com uma lacuna de banda fotônica em grandes quantidades de maneira econômica, "Disse Pine.