Un display per smartphone in grado di produrre immagini 3D dovrà essere in grado di ruotare la luce che emette. Ora, ricercatori dell'Università del Michigan e dell'Università Ben-Gurion del Negev hanno scoperto un modo per produrre in serie semiconduttori a spirale in grado di fare proprio questo.

Già nel 1962, Gli ingegneri E. Leith e J. Upatnieks dell'Università del Michigan hanno svelato immagini 3D realistiche con l'invenzione dell'olografia pratica. Le prime immagini olografiche di uccelli su un treno sono state realizzate creando onde stazionarie di luce con punti luminosi e scuri nello spazio, che crea un'illusione di oggetto materiale. È stato reso possibile controllando la polarizzazione e la fase della luce, cioè la direzione e la tempistica delle fluttuazioni delle onde elettromagnetiche.

Le eliche di semiconduttore create dal team guidato da U-M possono fare esattamente questo con i fotoni che passano attraverso, riflesso da, ed emesso da loro. Possono essere incorporati in altri dispositivi a semiconduttore per variare la polarizzazione, fase, e colore della luce emessa dai diversi pixel, ciascuno di essi realizzato con eliche a semiconduttore progettate con precisione.

Fino ad ora, realizzare spirali di semiconduttori con una torsione sufficientemente forte - che ricorda la pasta fusilli su scala nanometrica - era una prospettiva difficile perché lo stato attorcigliato è innaturale per i materiali semiconduttori. Di solito formano fogli o fili. Ma Nicholas Kotov, Joseph B. e Florence V. Cejka Professore di ingegneria chimica e il suo team hanno trovato un modo per guidare l'attaccamento tra loro di piccole nanoparticelle di semiconduttori imparando dalle strutture contorte della natura:proteine ​​e DNA.

"Gli amminoacidi sono i mattoni per eccellenza delle proteine, " disse Wenchun Feng, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Kotov e l'autore principale. "La direzione della spirale delle proteine ​​è determinata dalla proprietà geometrica degli amminoacidi. Abbiamo scoperto che un comune amminoacido, cisteina, lavorare insieme in grandi numeri può distorcere non solo le proteine ​​ma anche i semiconduttori".

Il team ha rivestito nanoparticelle fatte di tellururo di cadmio, un semiconduttore in grado di emettere luce, con cisteina. Le molecole di cisteina si presentano in due forme che sono immagini speculari l'una dell'altra, quindi è conosciuta come una molecola "chirale". Hanno osservato le nanoparticelle che si autoassemblano spontaneamente in "tornado" di semiconduttori seguendo la chiralità verso destra o verso sinistra dell'amminoacido.

Una delle scoperte inaspettate del team è stata quanto fosse alta la fedeltà di questo processo di autoassemblaggio e quanto fosse forte la torsione delle eliche. Quasi tutte - il 98% - delle eliche di semiconduttori avevano la stessa direzione di torsione e in effetti sembravano fusilli su scala nanometrica. Alcune molecole organiche possono formare spirali organiche, pure, ma la capacità di torsione della luce delle eliche di semiconduttori realizzate da Kotov e colleghi è almeno cinque volte più forte e può essere variata dal campo elettrico.

Quando brillavano di luce attraverso i semiconduttori, hanno registrato i fotoni che vorticavano attraverso di loro. Attraverso una combinazione di esperimenti e simulazioni al computer, i ricercatori hanno sviluppato principi e metodi di progettazione per progettare le proprietà ottiche delle eliche dei semiconduttori per i diversi colori nei futuri dispositivi olografici.

Una delle conseguenze inaspettate di questo progetto guidato dalla tecnologia è stata dare una sbirciatina ai misteri che circondano il modo in cui la vita potrebbe essere sorta sulla Terra e il motivo per cui molte molecole biologiche seguono in modo affidabile una spirale in senso orario o antiorario. Kotov suggerisce che gli amminoacidi, che si sa si formano spontaneamente nella polvere spaziale, potrebbero aver assemblato nanoparticelle in spirali che hanno distorto la luce delle prime stelle, fungendo da modelli inorganici stabili affinché le molecole e le particelle organiche seguano lo stesso schema.

Il lavoro è descritto in un articolo su Science Advances intitolato, "Assemblaggio di eliche su mesoscala con eccesso enantiomerico quasi unitario e interazioni luce-materia per semiconduttori chirali". Visualizza l'abstract su advanceds.sciencemag.org/content/3/3/e1601159 .