Il diamante colloidale è un sogno dei ricercatori sin dagli anni '90. Queste strutture, stabili, formazioni autoassemblate di materiali minuscoli:hanno il potenziale per rendere le onde luminose utili quanto gli elettroni nell'informatica, e mantieni la promessa per una serie di altre applicazioni. Ma mentre l'idea dei diamanti colloidali è stata sviluppata decenni fa, nessuno è stato in grado di produrre in modo affidabile le strutture. Fino ad ora.

I ricercatori guidati da David Pine, professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la NYU Tandon School of Engineering e professore di fisica presso la NYU, hanno ideato un nuovo processo per l'autoassemblaggio affidabile di colloidi in una formazione di diamante che potrebbe portare a costi economici, fabbricazione scalabile di tali strutture. La scoperta, dettagliato in "Diamante colloidale, " apparso nel numero del 24 settembre di Natura , potrebbe aprire la porta a circuiti ottici altamente efficienti portando a progressi nei computer ottici e nei laser, filtri luminosi più affidabili ed economici da produrre che mai, e altro ancora.

Pino e i suoi colleghi, incluso l'autore principale Mingxin He, un ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica della NYU, e corrispondente autore Stefano Sacanna, professore associato di chimica alla NYU, studiano da decenni i colloidi e i possibili modi in cui possono essere strutturati. Questi materiali, composto da sfere centinaia di volte più piccole del diametro di un capello umano, possono essere disposte in diverse forme cristalline a seconda di come le sfere sono collegate tra loro. Ogni colloide si attacca all'altro utilizzando filamenti di DNA incollati alle superfici dei colloidi che funzionano come una sorta di velcro molecolare. Quando i colloidi entrano in collisione tra loro in un bagno liquido, gli strappi del DNA e i colloidi sono collegati. A seconda di dove il DNA è attaccato al colloide, possono creare spontaneamente strutture complesse.

Questo processo è stato utilizzato per creare stringhe di colloidi e persino colloidi in una formazione cubica. Ma queste strutture non hanno prodotto il Santo Graal della fotonica, una banda proibita per la luce visibile. Proprio come un semiconduttore filtra gli elettroni in un circuito, un band gap filtra determinate lunghezze d'onda della luce. La luce filtrante in questo modo può essere ottenuta in modo affidabile dai colloidi se sono disposti in una formazione a diamante, un processo ritenuto troppo difficile e costoso da eseguire su scala commerciale.

"C'è stato un grande desiderio tra gli ingegneri di realizzare una struttura a diamante, " disse Pine. "La maggior parte dei ricercatori ci aveva rinunciato, a dirti la verità, potremmo essere l'unico gruppo al mondo che sta ancora lavorando su questo. Quindi penso che la pubblicazione del giornale sarà una sorpresa per la comunità".

Gli investigatori, tra cui Etienne Ducrot, un ex postdoc alla NYU Tandon, ora al Centre de Recherche Paul Pascal - CNRS, Pesac, Francia; e Gi-Ra Yi della Sungkyunkwan University, Suwon, Corea del Sud, scoprirono che potevano usare un meccanismo di interblocco sterico che avrebbe prodotto spontaneamente i necessari legami sfalsati per rendere possibile questa struttura. Quando questi colloidi piramidali si avvicinarono l'uno all'altro, si sono collegati nell'orientamento necessario per generare una formazione di diamante. Piuttosto che passare attraverso il faticoso e costoso processo di costruzione di queste strutture attraverso l'uso di nanomacchine, questo meccanismo consente ai colloidi di strutturarsi senza la necessità di interferenze esterne. Per di più, le strutture diamantate sono stabili, anche quando il liquido in cui si formano viene rimosso.

La scoperta è stata fatta perché Lui, uno studente laureato alla NYU Tandon all'epoca, notò una caratteristica insolita dei colloidi che stava sintetizzando in una formazione piramidale. Lui ei suoi colleghi hanno disegnato tutti i modi in cui queste strutture potrebbero essere collegate. Quando si sono imbattuti in una particolare struttura interconnessa, si resero conto di aver trovato il metodo giusto. "Dopo aver creato tutti questi modelli, abbiamo visto subito che avevamo creato diamanti, " disse.

"La dimostrazione a lungo cercata del Dr. Pine dei primi reticoli di diamanti colloidali autoassemblati sbloccherà nuove opportunità di ricerca e sviluppo per importanti tecnologie del Dipartimento della Difesa che potrebbero trarre vantaggio dai cristalli fotonici 3D, " ha detto il dottor Evan Runnerstrom, responsabile del programma, Ufficio di ricerca dell'esercito (ARO), un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti.

Ha spiegato che i potenziali progressi futuri includono applicazioni per laser ad alta efficienza con richieste ridotte di peso ed energia per sensori di precisione e sistemi energetici diretti; e controllo preciso della luce per circuiti fotonici integrati 3D o gestione della firma ottica.

"Sono entusiasta di questo risultato perché illustra meravigliosamente un obiettivo centrale del programma di progettazione dei materiali di ARO:supportare le attività ad alto rischio, ricerca ad alta ricompensa che sblocca percorsi dal basso verso l'alto per creare materiali straordinari che prima erano impossibili da realizzare."

Il gruppo, che include anche John Gales, uno studente laureato in fisica alla NYU, e Zhe Gong, un postdoc presso l'Università della Pennsylvania, ex studente laureato in chimica alla NYU, ora sono concentrati a vedere come questi diamanti colloidali possono essere utilizzati in un ambiente pratico. Stanno già creando materiali utilizzando le loro nuove strutture in grado di filtrare le lunghezze d'onda ottiche per dimostrare la loro utilità nelle tecnologie future.