O diamante coloidal é o sonho dos pesquisadores desde a década de 1990. Essas estruturas - estáveis, formações automontadas de materiais minúsculos - têm o potencial de tornar as ondas de luz tão úteis quanto os elétrons na computação, e prometem uma série de outros aplicativos. Mas embora a ideia de diamantes coloidais tenha sido desenvolvida décadas atrás, ninguém foi capaz de produzir as estruturas de forma confiável. Até agora.

Pesquisadores liderados por David Pine, professor de engenharia química e biomolecular na NYU Tandon School of Engineering e professor de física na NYU, desenvolveram um novo processo para a auto-montagem confiável de coloides em uma formação de diamante que poderia levar a um custo barato, fabricação escalável de tais estruturas. A descoberta, detalhado em "Diamante coloidal, "aparecendo na edição de 24 de setembro da Natureza , poderia abrir a porta para circuitos ópticos altamente eficientes, levando a avanços em computadores ópticos e lasers, filtros de luz que são mais confiáveis ​​e mais baratos de produzir do que nunca, e muito mais.

Pine e seus colegas, incluindo o autor principal Mingxin He, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física da NYU, e o autor correspondente Stefano Sacanna, professor associado de química na NYU, há décadas estudam os colóides e as possíveis maneiras como eles podem ser estruturados. Esses materiais, feito de esferas centenas de vezes menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano, podem ser arranjados em diferentes formas cristalinas, dependendo de como as esferas estão ligadas umas às outras. Cada colóide se liga a outro usando fitas de DNA coladas às superfícies dos colóides que funcionam como uma espécie de velcro molecular. Quando os coloides colidem uns com os outros em um banho líquido, os obstáculos do DNA e os colóides estão ligados. Dependendo de onde o DNA está ligado ao colóide, eles podem criar estruturas complexas espontaneamente.

Este processo foi usado para criar cadeias de coloides e até mesmo coloides em uma formação cúbica. Mas essas estruturas não produziram o Santo Graal da fotônica - uma lacuna de banda para a luz visível. Assim como um semicondutor filtra os elétrons em um circuito, uma lacuna de banda filtra certos comprimentos de onda de luz. A filtragem de luz desta forma pode ser alcançada de forma confiável por coloides se eles estiverem dispostos em uma formação de diamante, um processo considerado muito difícil e caro para ser executado em escala comercial.

"Há um grande desejo entre os engenheiros de fazer uma estrutura de diamante, "disse Pine." A maioria dos pesquisadores desistiu disso, para dizer a verdade, podemos ser o único grupo no mundo que ainda está trabalhando nisso. Portanto, acho que a publicação do jornal será uma surpresa para a comunidade. "

Os investigadores, incluindo Etienne Ducrot, um ex-pós-doutorado na NYU Tandon, agora no Centre de Recherche Paul Pascal - CNRS, Pessac, França; e Gi-Ra Yi da Universidade Sungkyunkwan, Suwon, Coreia do Sul, descobriram que eles poderiam usar um mecanismo de bloqueio estérico que produziria espontaneamente as ligações escalonadas necessárias para tornar essa estrutura possível. Quando esses colóides piramidais se aproximaram, eles se ligaram na orientação necessária para gerar uma formação de diamante. Em vez de passar pelo processo meticuloso e caro de construir essas estruturas por meio do uso de nanomáquinas, este mecanismo permite que os coloides se estruturem sem a necessidade de interferência externa. Além disso, as estruturas de diamante são estáveis, mesmo quando o líquido em que se formam é removido.

A descoberta foi feita porque Ele, um estudante de graduação na NYU Tandon na época, notou uma característica incomum dos colóides que ele estava sintetizando em uma formação piramidal. Ele e seus colegas descobriram todas as maneiras pelas quais essas estruturas poderiam ser conectadas. Quando eles aconteceram em uma determinada estrutura interligada, eles perceberam que haviam encontrado o método adequado. "Depois de criar todos esses modelos, vimos imediatamente que havíamos criado diamantes, " disse ele.

"A tão procurada demonstração do Dr. Pine das primeiras redes de diamante coloidal auto-montadas irá desbloquear novas oportunidades de pesquisa e desenvolvimento para tecnologias importantes do Departamento de Defesa que poderiam se beneficiar de cristais fotônicos 3-D, "disse o Dr. Evan Runnerstrom, gerenciador de programa, Gabinete de Pesquisa do Exército (ARO), um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.

Ele explicou que potenciais avanços futuros incluem aplicações para lasers de alta eficiência com peso reduzido e demandas de energia para sensores de precisão e sistemas de energia direcionada; e controle preciso de luz para circuitos fotônicos integrados 3-D ou gerenciamento de assinatura óptica.

"Estou entusiasmado com este resultado porque ilustra maravilhosamente um objetivo central do Programa de Design de Materiais da ARO - apoiar alto risco, pesquisa de alta recompensa que abre caminhos de baixo para cima para a criação de materiais extraordinários que antes eram impossíveis de fazer. "

O time, que também inclui John Gales, um estudante de pós-graduação em física na NYU, e Zhe Gong, um pós-doutorado na Universidade da Pensilvânia, ex-aluno de pós-graduação em química na NYU, agora estão focados em ver como esses diamantes coloidais podem ser usados ​​em um ambiente prático. Eles já estão criando materiais usando suas novas estruturas que podem filtrar comprimentos de onda ópticos a fim de provar sua utilidade em tecnologias futuras.