Теперь исследователи из университетов Принстона и Колумбии предложили новый метод, который может позволить ученым с относительной легкостью настраивать и выращивать эти специализированные материалы, известные как фотонные кристаллы.
«Наши результаты указывают на ранее неизведанный путь создания бездефектных кристаллов с использованием недорогих ингредиентов», — сказал Атанассиос Панагиотопулос, профессор химической и биологической инженерии Сьюзан Дод Браун и один из авторов статьи. "Современные методы создания таких систем основаны на использовании трудно синтезируемых частиц с узко подобранными направленными взаимодействиями."
В статье, опубликованной 21 июля в журнале Nature Communications, исследователи предположили, что фотонные кристаллы могут быть созданы из смеси, в которой частицы одного типа диспергированы в другом материале. Эти смеси, называемые коллоидными суспензиями, включают такие вещества, как молоко или туман. При определенных условиях эти диспергированные частицы могут объединяться в кристаллы.
Создание твердых веществ из коллоидных суспензий — идея не новая. Фактически, люди занимались этим с момента изобретения сыра и маслобойки. Но есть большая разница между изготовлением колеса из чеддера и кристалла, достаточно чистого, чтобы разделять свет для оптической схемы.
Одной из основных проблем при создании этих оптических кристаллов является поиск способа создания однородных форм из заданной коллоидной смеси.
По определению, внутренняя структура кристаллов упорядочена по порядку. Геометрия этих узоров определяет, как кристалл будет влиять на свет. К несчастью для инженеров-оптиков, типичная коллоидная смесь дает кристаллы с различной внутренней структурой.
В своей статье исследователи демонстрируют метод использования коллоидной суспензии для создания кристаллов с однородной структурой, необходимой для высокотехнологичных технологий.
По сути, исследователи показали, что добавление цепочек молекул точного размера, называемых полимерами, к коллоидной смеси позволяет им навести порядок в кристалле по мере его образования.
«Полимеры определяют, какие структуры могут образовываться», — сказал Натан Махински, аспирант кафедры химической и биологической инженерии в Принстоне и ведущий автор статьи. "Если вы понимаете, как полимер взаимодействует с коллоидами в смеси, вы можете использовать это для создания желаемого кристалла."
Исследователи создали компьютерную модель, которая имитировала образование кристаллов на основе принципов термодинамики, согласно которым любая система перейдет в любую структуру, требующую наименьшего количества энергии. Группа Панагиотопулоса проанализировала равновесное состояние различных возможных форм кристаллов, чтобы понять, как на них повлияло присутствие различных полимеров.
Они обнаружили, что при образовании кристаллов крошечные количества полимера были захвачены между коллоидами, когда они собрались вместе. Это похоже на раствор в каменной стене, хотя исследователи говорят, что полимер не имеет адгезионных свойств.
Эти заполненные полимером пространства, называемые пустотами, играют ключевую роль в определении энергетического состояния кристалла.
«Изменение полимера влияет на то, какая кристаллическая форма наиболее стабильна», — сказал Махински. "По мере того, как кристалл формируется, полимер помогает установить форму кристалла."
Полимер и формирующийся кристалл работают как замок и ключ — они подходят друг к другу в кристаллической структуре с самым низким энергетическим состоянием. Благодаря этому ученые могут использовать свои знания физики полимеров для создания кристаллических структур.
Поскольку исследователи проводили свой анализ с использованием компьютерного моделирования, они предупредили, что экспериментальное воспроизведение результатов в лаборатории представляет некоторые трудные задачи. Одна из первых проблем заключалась в однородности коллоидов в суспензии; модели часто предполагают, что все коллоиды имеют одинаковую форму и размер, но это редко встречается в природных системах.
Предвидя это, исследователи проверили свою теорию, используя неоднородное решение.
«Одна из вещей, которые мы сделали в нашем исследовании, заключалась в том, чтобы взглянуть на реалистичные системы, которые можно было реализовать в лаборатории, и оказалось, что явление, которое мы описываем, устойчиво», — сказал Санат Кумар, профессор и заведующий кафедрой химической инженерии в Колумбии. и исследователь проекта. "Это говорит нам об отсутствии концептуальной проблемы, чтобы понять это в лаборатории."
Гравитация также может представлять проблему для экспериментаторов, хотя Кумар указал, что подобные эксперименты преодолели эту трудность. Под действием силы тяжести кристаллы фильтруются на дно контейнера и упаковываются в несовпадающие слои.
Это может сделать очень трудным и, возможно, непрактичным, пытаться получить кристаллы с помощью коллоидной смеси в резервуаре.
Но Махински сказал, что есть несколько методов, с помощью которых можно избежать проблем.
Например, чтобы справиться с гравитацией, исследователи могут создать кристаллы в очень тонкой пленке. Такой подход должен избегать нарушения гравитации, тянущей кристаллы ко дну.
Также может быть важно выбрать правильный размер коллоида и тип полимера для успешного экспериментального результата.
Панагиотопулос сказал, что одним из возможных путей экспериментальной проверки этих идей будет использование жестких полимерных цепей, таких как двухцепочечная ДНК, вместе с коллоидами микрометрового размера.
