p (Phys.org) - À medida que a biotecnologia e a nanotecnologia continuam a se fundir, Métodos programáveis ​​por DNA surgiram como uma forma de fornecer controle sem precedentes sobre a montagem de nanopartículas em estruturas complexas, incluindo estruturas periódicas personalizáveis ​​conhecidas como superredes que permitem o ajuste fino da interação entre a luz e coleções de partículas altamente organizadas. Estruturas reticuladas têm sido historicamente bidimensionais porque a fabricação de reticulados tridimensionais de DNA tem sido muito difícil, enquanto os cristais fotônicos dielétricos tridimensionais têm interações luz-matéria aprimoradas bem estabelecidas. Contudo, a escassez de meios sintéticos de criação de cristais plasmônicos (aqueles que exploram plasmons de superfície produzidos a partir da interação da luz com materiais dielétricos de metal) baseados em matrizes de nanopartículas impediu que fossem estudados experimentalmente. Ao mesmo tempo, foi sugerido que os cristais fotônicos polaritônicos (PPCs) - contrapartes plasmônicas dos cristais fotônicos - podem proibir a propagação da luz e abrir um gap fotônico (também conhecido como gap polariton) por forte acoplamento entre plasmons de superfície e modos fotônicos se o cristal estiver em um regime de tamanho de comprimento de onda profundo. ( Polaritons são quasipartículas resultantes de forte acoplamento de ondas eletromagnéticas com uma excitação portadora de dipolo elétrico ou magnético.) p Para esse fim, cientistas da Northwestern University relataram recentemente fortes interações luz-plasmon dentro de cristais fotônicos plasmônicos 3D que têm constantes de rede e diâmetros de nanopartículas que podem ser controlados de forma independente no regime de tamanho de sub-onda profundo usando uma técnica de montagem programável por DNA - os primeiros dispositivos preparados por DNA- cristalização coloidal guiada. Os pesquisadores mostraram que podem ajustar a interação entre a luz e os modos eletrônicos coletivos das nanopartículas de ouro ajustando independentemente as constantes de rede e os diâmetros das nanopartículas de ouro, acrescentando que seus resultados no ajuste de interações entre luz e coleções de partículas em nanoescala altamente organizadas sugerem a possibilidade de aplicações que incluem lasers, eletrodinâmica quântica e bio-sensoriamento.

p O Prof. George C. Schatz discutiu o artigo que ele, Prof. Chad A. Mirkin, o autor principal Daniel J. Park e seus co-autores publicados em Proceedings of the National Academy of Sciences ao abordar primeiro os principais desafios que os cientistas encontraram ao ajustar a interação entre a luz e os modos eletrônicos coletivos das nanopartículas de ouro, ajustando independentemente as constantes de rede e os diâmetros das nanopartículas de ouro. "O comprimento de onda associado aos modos de ressonância fotônica" - como as interações Fabry-Pérot que ocorrem com interferômetros de mesmo nome - "é definido por uma condição de interferência que depende da geometria da microestrutura, bem como no índice efetivo de refração do material na microestrutura, "Schatz conta Phys.org . "Ao mesmo tempo, o comprimento de onda das ressonâncias de plasmon em uma nanopartícula de ouro é determinado pela excitação coletiva de elétrons na partícula e depende do tamanho e da forma da nanopartícula, bem como do índice de refração do ouro. "Os pesquisadores resolveram isso fabricando materiais de superrede que permitem o ajuste independente esses dois comprimentos de onda, e, portanto, estudar as interações entre os modos de ressonância. Além disso, ele adiciona, os pesquisadores encontraram uma gama de parâmetros de superrede e nanopartícula onde os modos fotônicos podem ser observados abaixo e acima da energia do plasmon - isto é, seu comprimento de onda de ressonância - permitindo-lhes observar uma lacuna de banda que indica forte acoplamento entre os modos.

p Um segundo aspecto chave de sua pesquisa foi o uso de cristalização coloidal guiada por DNA para controlar de forma independente as interações fortes de luz-plasmão dentro de cristais fotônicos plasmônicos 3D que têm constantes de rede e diâmetros de nanopartículas, bem como sintetizar PPCs plasmônicos (cristais fotônicos polaritônicos) a partir de nanopartículas de ouro. "Antes de nosso artigo e trabalho publicado no ano passado ¹ por nossos colegas da Northwestern no grupo do Prof. Mirkin, o método de cristalização guiada por DNA foi desenvolvido para fazer materiais de superrede com tamanho de partícula de ouro variável e espaçamento de rede, "Schatz explica.

p "Contudo, " ele continua, "os materiais eram policristalinos, e, portanto, não exibiu modos fotônicos bem definidos que podem permitir a sondagem da interação entre luz e plasmons de superfície. Um avanço importante foi a descoberta ¹ de um método para fazer monocristais de superrede com um hábito cristalino bem definido - isto é, uma forma dodecaédrica rômbica - e tamanho variável da ordem de alguns mícrons. "No entanto, ainda não estava claro se haveria modos ópticos de qualidade alta o suficiente para que as ressonâncias de Fabry-Pérot fossem observadas e sintonizadas na ressonância de plasmon. "Demorou vários meses para sondar teoricamente e experimentalmente e confirmar a presença de ressonâncias Fabry-Pérot, "Schatz acrescenta.

p Schatz e seus colegas abordaram esses desafios usando medições de retroespalhamento - o reflexo de ondas, partículas, ou sinais de volta para a direção da fonte - para testar os modos Fabry-Pérot. "Embora as medidas de retroespalhamento tenham sido usadas em outros contextos, esta foi a primeira aplicação desta tecnologia a cristais de superrede de DNA, e não ficou imediatamente claro para nós que as ressonâncias Fabry-Pérot pudessem ser observadas para este hábito de cristal e escolha de material, "Schatz observa. No entanto, conforme detalhado em seu artigo atual, os cientistas desenvolveram um modelo teórico realista deste experimento que previu a existência dos modos Fabry-Pérot e a possibilidade de observá-los por retroespalhamento durante a realização dos experimentos. “Isso nos estimulou a fazer os experimentos e a persistir nesse trabalho, embora os primeiros resultados fossem de baixa qualidade. Além disso, usamos o modelo computacional para orientar na otimização do experimento - incluindo o trabalho em que revestimos PPCs com prata. "

p Em seu jornal, os pesquisadores discutiram mais estudos fotônicos e possíveis aplicações em lasers, eletrodinâmica quântica de cavidade, óptica quântica, dinâmica quântica de muitos corpos, bio-sensoriamento e outras áreas sugeridas pelo ajuste de interações luz-plasmão em nanoescala. "Trabalhos anteriores observaram o comportamento da eletrodinâmica quântica em cavidades ópticas dielétricas, incluindo fluorescência aumentada e suprimida de emissores nessas cavidades. Os presentes experimentos sugerem que este tipo de medição pode ser estendido a cavidades onde ocorrem os modos plasmônico / fotônico híbrido. ”Ele enfatiza que, embora fenômenos eletrodinâmicos quânticos via modos plasmônicos / fotônicos híbridos 2D já tenham sido observados nos últimos anos, seu sistema abre uma oportunidade única de utilizar modos de cristal 3D que contêm propriedades plasmônicas. "Como uma aplicação possível, uma vez que os lasers aprimorados com plasmon foram observados com redes 2D, a observação bem-sucedida de modos fotônicos-plasmônicos híbridos 3D sugere que tais lasers podem ser preparados para redes 3D. "

p Outro achado interessante é a sintonia das interconexões de DNA e a fração de volume correspondente dos elementos plasmônicos. "A capacidade de sintonia das interconexões de DNA fornece a capacidade de alterar a constante de rede, "Schatz explica, "e com um certo tamanho de nanopartícula, variando a constante de rede, podemos ajustar o volume de ouro. "

p Quando questionados se suas descobertas podem interagir ou contribuir para o desenvolvimento da biologia sintética e da genômica sintética, bem como a integração acelerada de biotecnologia e nanotecnologia na medicina translacional, Schatz apontou que o DNA fornece um 'gancho' sintético que pode ser conectado à biologia sintética. "We can therefore envision using the genetic programmability of DNA as input to the synthesis of fluorescent proteins in precise locations, " adding that the medical applications of DNA-programmed superlattice materials are only at the concept stage. "From earlier work in the Mirkin group, we know how to use gold nanoparticles coated with DNA in medical diagnostics and therapeutics, so one can imagine future applications where these applications are extended to superlattices. A key point is that the superlattices provide a systematic tool for building structures that combine together inorganic components, such as metal or semiconductor nanoparticles with biomolecules."

p Seguindo em frente, Schatz says, the researchers need to generalize the menu of superlattice crystals. "The micron-scale crystal habits exhibit other photonic modes – that is, functionalities – such as whispering gallery resonance and light focusing. Além disso, other nanoparticle components such as silver nanoparticles and quantum dots can be incorporated into superlattices." This means that the scientists can play with a large number of photonic/electronic degrees of freedom within the framework of a DNA superlattice. "Therefore, we need to establish a well-defined set of photonic applications and studies utilizing and combining those physical degrees of freedom – and theory will play an important role in this process."

p In terms of additional innovations, Schatz tells Phys.org that "now that we know that plasmon-photonic interactions can exhibit strong coupling, we need to expand this research, probably with different nanoparticles and with different types of photonic resonances. Por exemplo, we can incorporate anisotropic nanoparticles that exhibit more interesting plasmonic response to polarization of light – and utilizing other available photonic modes that exhibit light focusing features, we can think about developing optical components such as a plasmonic microlens. Finalmente, synthesizing quantum dot nanoparticle superlattices, we can perform fundamental physics studies related to the collective exciton emission."

p Schatz concludes that other areas of research might also benefit from their study. "We're excited about the possibility of using superlattice materials not just in photonics, but also in energy-related applications, including photovoltaics, photocatalysis, and batteries." p © 2015 Phys.org