Команда инженеров и ученых из инженерного факультета химической и биомолекулярной инженерии Нью-Йоркского университета в Тандоне, Центра исследований мягких веществ при Нью-Йоркском университете и Школы химической инженерии Университета Сунгюнкван в Республике Корея сообщают, что они нашли путь к самообучению. сборка этих неуловимых фотонно-кристаллических структур, которые никогда раньше не собирались в субмикрометровом масштабе (один микрометр примерно в 100 раз меньше диаметра пряди человеческого волоса).Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, вводит новый принцип проектирования, основанный на предварительно собранных компонентах желаемой надстройки, подобно тому, как сборный дом начинается как набор предварительно построенных секций. Исследователи сообщают, что им удалось собрать коллоидные сферы в кристаллические структуры алмаза и пирохлора — особенно трудная задача, потому что так много места остается незанятым.Команда, в которую вошли Этьен Дюкро, научный сотрудник Центра исследований мягкой материи Нью-Йоркского университета; Мингсинь Хэ, докторант кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Нью-Йоркском университете Тандон; Ги-Ра И из Университета Сонгюнкван; и Дэвид Дж.
Пайн, заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии инженерной школы Тандон Нью-Йоркского университета и профессор физики в Колледже искусств и наук Нью-Йоркского университета, черпали вдохновение из металлического сплава магния и меди, который естественным образом встречается в структуры алмаза и пирохлора как подрешетки. Они увидели, что эти сложные структуры можно разложить на отдельные сферы и тетраэдрические кластеры (четыре постоянно связанных сферы). Чтобы реализовать это в лаборатории, они приготовили субмикронные пластиковые коллоидные кластеры и сферы и использовали сегменты ДНК, привязанные к их поверхности, чтобы направить самосборку в желаемую надстройку.«Мы можем строить эти сложные конструкции, потому что мы начинаем не с отдельных сфер в качестве строительных блоков, а с предварительно собранных деталей, уже« склеенных »вместе», — сказал Дюкро. «Мы заполняем структурные пустоты решетки алмаза взаимопроникающей структурой, пирохлором, который окажется столь же ценным, как решетка алмаза, для будущих фотонных приложений».
Дюкро сказал, что открытые коллоидные кристаллы, такие как кристаллы с алмазной и пирохлорной конфигурациями, желательны, потому что, когда они состоят из правильного материала, они могут иметь фотонные запрещенные зоны — диапазоны световой частоты, которые не могут распространяться через структуру — это означает, что они могут быть для света тем же, чем полупроводники для электронов.«Эта история создавалась долго, поскольку эти свойства материала были предсказаны 26 лет назад, но до сих пор не было практического пути для их создания», — сказал он. «Чтобы получить ширину запрещенной зоны в видимой части электромагнитного спектра, частицы должны быть порядка 150 нанометров, что находится в коллоидном диапазоне.
В таком материале свет должен распространяться без рассеивания вдоль дефекта, в результате чего возможно строительство из фишек на основе света ».Пайн сказал, что технология самосборки имеет решающее значение для того, чтобы сделать производство этих кристаллов экономически целесообразным, потому что создание большого количества кристаллов с помощью методов литографии в правильном масштабе было бы чрезвычайно дорогостоящим и очень сложным.
«Самосборка, таким образом, является очень привлекательным способом недорогого создания кристаллов с фотонной запрещенной зоной в больших количествах», — сказал Пайн.