Um método simples e escalonável usando luz para imprimir nanoestruturas helicoidais em 3D
Imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) de nanohelicóides formados usando luz helicoidal esquerda e luz helicoidal direita, respectivamente. Crédito:Kim et al. 2024. Um novo processo de fabricação de nanopartículas metálicas helicoidais fornece uma maneira mais simples e barata de produzir rapidamente um material essencial para dispositivos biomédicos e ópticos, de acordo com um estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Michigan.
"Um dos nossos motivadores é simplificar drasticamente a fabricação de materiais complexos que representam gargalos em muitas tecnologias atuais", disse Nicholas Kotov, Distinguido Professor de Ciências Químicas e Engenharia da Universidade Irving Langmuir na U-M e co-autor correspondente do estudo, publicado em Anais da Academia Nacional de Ciências .
Superfícies quirais – o que significa que a superfície não possui simetria espelhada (por exemplo, mão esquerda e direita) – que têm a capacidade de curvar a luz em nanoescala são muito procuradas. O novo estudo demonstra uma maneira de fabricá-los por meio da impressão 3D de “florestas” de hélices em nanoescala. O alinhamento dos eixos das hélices com um feixe de luz cria uma forte rotação óptica, permitindo que a quiralidade seja aproveitada nas tecnologias de saúde e informação, para as quais a quiralidade é comum.
Superfícies quirais de metais plasmônicos são ainda mais desejáveis porque podem produzir uma grande família de biodetectores muito sensíveis. Por exemplo, podem detectar biomoléculas específicas – produzidas por bactérias perigosas resistentes a medicamentos, proteínas mutadas ou ADN – que podem ajudar no desenvolvimento de terapêuticas específicas. Estes materiais também oferecem potencial para o avanço das tecnologias de informação, criando maiores capacidades de armazenamento de dados e velocidades de processamento mais rápidas, aproveitando a interacção da luz com sistemas electrónicos (ou seja, cabos de fibra óptica).
Embora essas superfícies especiais estruturadas em 3D a partir de hélices verticais sejam muito necessárias, os métodos tradicionais para produzi-las são complexos, caros e geram muito desperdício.
A impressão 3D de nanoestruturas helicoidais por luz helicoidal oferece uma alternativa mais simples e barata à nanolitografia. O esquema ilustra o sistema de impressão acionado por luz polarizada circularmente com um estágio motorizado. Crédito:Anais da Academia Nacional de Ciências (2024). DOI:10.1073/pnas.2312082121
Mais comumente, esses materiais são feitos usando hardware altamente especializado – como litografia 3D de dois fótons ou deposição induzida por feixe de íons/elétrons – disponível apenas em algumas instalações de ponta. Embora precisos, esses métodos envolvem processamento demorado e em várias etapas em condições de baixa pressão ou alta temperatura.
A impressão 3D foi sugerida como alternativa, mas as tecnologias de impressão 3D existentes não permitem resolução em nanoescala. Como solução, a equipe de pesquisa da UM desenvolveu um método que usa feixes de luz helicoidais para produzir hélices em nanoescala com lateralidade e passo específicos.
"Superfícies plasmônicas quirais em escala centimétrica podem ser produzidas em minutos usando lasers baratos de média potência. Foi incrível ver a rapidez com que essas florestas helicoidais crescem", disse Kotov.
A impressão 3D de estruturas helicoidais por luz helicoidal é baseada na transferência de quiralidade luz-matéria descoberta na UM há cerca de 10 anos.
A impressão de gravação direta em etapa única, sem máscara, a partir de soluções aquosas de sal de prata, oferece uma alternativa à nanolitografia, ao mesmo tempo que avança a fabricação aditiva 3D. A simplicidade do processamento, a rotação de alta polarização e a resolução espacial fina da impressão de hélices de metal acionadas por luz acelerarão enormemente a preparação de uma arquitetura complexa em nanoescala para a próxima geração de chips ópticos.
