Quando John Crocker, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania era uno studente laureato, il suo consigliere ha riunito tutti nel suo laboratorio per "lanciare il guanto di sfida" su una nuova sfida sul campo.

Qualcuno aveva predetto che se si potessero coltivare cristalli colloidali che avevano la stessa struttura degli atomi di carbonio in una struttura a diamante, avrebbe proprietà ottiche speciali che potrebbero rivoluzionare la fotonica. In questo materiale, chiamato materiale bandgap fotonico, o PBM, la luce agirebbe in modo matematicamente analogo a come si muovono gli elettroni in un semiconduttore.

"L'implicazione tecnologica è che tali materiali consentirebbero la costruzione di 'transistor' per la luce, la capacità di intrappolare la luce in punti specifici e costruire microcircuiti per LED e laser leggeri e più efficienti, " disse Crocker.

Al tempo, Crocker ha deciso di perseguire i suoi progetti, lasciando ad altri il perseguimento dei PBM.

Venti anni dopo, Lo studente laureato di Crocker Yifan Wang ha prodotto questa sfuggente struttura a diamante mentre lavorava su un problema diverso, per caso. Questo li ha messi sulla strada per raggiungere i PBM, il "Santo Graal dell'autoassemblaggio diretto delle particelle, " disse Crocker.

"È una classica storia di serendipità nella scoperta scientifica. Non puoi anticipare queste cose. A volte sei fortunato e qualcosa di straordinario viene fuori".

La ricerca è stata condotta da Crocker, Wang, il professor Talid Sinno di SEAS e lo studente laureato Ian Jenkins. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Per essere un PBM, un materiale deve avere una struttura cristallina non sulla scala degli atomi ma sulla scala della lunghezza d'onda della luce.

"In altre parole, "Crocker ha detto, "bisogna scolpire o disporre del materiale trasparente in una serie di sfere con una particolare simmetria, e le sfere o i fori devono avere dimensioni di centinaia di nanometri."

Già negli anni '90, Crocker ha detto, gli scienziati credevano che ci sarebbero stati molti modi diversi per disporre le sfere e far crescere la struttura necessaria usando cristalli colloidali simili a come vengono coltivati ​​i cristalli dei semiconduttori:sfere colloidali che si dispongono spontaneamente in diversi reticoli cristallini.

Gli opali ne sono un esempio naturale. Si formano quando la silice nelle acque sotterranee forma sfere microscopiche, che si cristallizzano nel sottosuolo e poi si fossilizzano in solidi.

Sebbene gli opali non abbiano la giusta simmetria per essere PBM, il loro aspetto iridescente deriva dal fatto che la loro struttura cristallina periodica è su scale paragonabili alla lunghezza d'onda della luce.

Per formare un PBM, l'obiettivo principale è disporre sfere microscopiche trasparenti in un modello 3D che imiti la disposizione atomica degli atomi di carbonio in un reticolo di diamanti. Questa struttura, a differenza di altri cristalli, manca di certe direzioni di simmetria di altri cristalli in cui la luce può comportarsi normalmente, consentendo alla struttura del diamante di mantenere l'effetto PBM.

Gli scienziati presumevano che sarebbero stati in grado di realizzare opali sintetici con strutture diverse utilizzando materiali diversi per produrre PBM. Ma questo si rivelò più difficile di quanto avessero pensato e, 20 anni dopo, non è ancora stato realizzato.

Per creare finalmente questi reticoli di diamanti, i ricercatori della Penn hanno utilizzato microsfere ricoperte di DNA in due dimensioni leggermente diverse.

"Questi formano spontaneamente cristalli colloidali quando incubati alla temperatura corretta, a causa del DNA che forma ponti tra le particelle, " Crocker ha detto. "In determinate condizioni, i cristalli hanno una struttura a doppio diamante, due reticoli di diamante che si compenetrano, ciascuno costituito da una dimensione o 'sapore' di particella."

Hanno quindi reticolato questi cristalli insieme in un solido.

Crocker descrive il risultato come una buona fortuna. I ricercatori non avevano deciso di creare questa struttura a diamante. Stavano facendo un esperimento "mischia e prega":Wang stava regolando cinque variabili materiali per esplorare lo spazio dei parametri. Ad oggi, questo ha prodotto 11 cristalli diversi, uno dei quali era la sorprendente struttura a doppio diamante.

"Spesso, quando accade qualcosa di inaspettato, apre le porte a un nuovo approccio tecnologico, "Sinno ha detto. "Potrebbe esserci una nuova fisica in contrapposizione alla vecchia fisica polverosa dei libri di testo".

Ora che hanno superato un ostacolo significativo nel percorso verso la creazione di PBM, i ricercatori devono capire come sostituire i materiali con particelle ad alto indice e dissolvere selettivamente una specie per lasciarle con un reticolo di diamanti autoassemblato di microsfere colloidali.

Se in grado di produrre con successo un PBM, il materiale sarebbe come un "semiconduttore per la luce, " avendo proprietà ottiche insolite che non esistono in nessun materiale naturale. I normali materiali trasparenti hanno un indice di rifrazione compreso tra 1,3 e 2,5. Questi PBM potrebbero avere un indice di rifrazione molto alto, o anche un indice di rifrazione negativo che rifrange la luce all'indietro.

Tali materiali potrebbero essere utilizzati per realizzare lenti, fotocamere e microscopi con prestazioni migliori, o forse anche "mantelli dell'invisibilità, " oggetti solidi che riorienterebbero tutti i raggi di luce intorno a un vano centrale, rendendo gli oggetti lì invisibili.

Sebbene i ricercatori siano stati in grado di riprodurlo sperimentalmente più di una dozzina di volte, Sinno e Jenkins non sono stati in grado di riprodurre i risultati nella simulazione. È l'unica struttura degli 11 cristalli prodotti da Wang che non sono stati in grado di replicare in simulazione.

"Questa è l'unica struttura che abbiamo trovato finora che non possiamo spiegare che probabilmente non è estranea al fatto che nessuno ha previsto che potresti formarla con questo sistema, " Sinno ha detto. "Ci sono molti altri documenti che abbiamo avuto in passato che mostrano davvero quanto siano potenti i nostri approcci nello spiegare tutto. In un modo, il fatto che niente di tutto questo abbia funzionato aggiunge la prova che qui sta avvenendo qualcosa di fondamentalmente diverso".

I ricercatori attualmente pensano che un diverso, il cristallo sconosciuto cresce e poi si trasforma nei doppi cristalli di diamante, ma questa idea si è rivelata difficile da confermare.

"Sei abituato a scrivere giornali quando capisci qualcosa, " Crocker ha detto. "Quindi abbiamo avuto un dilemma. Normalmente quando troviamo qualcosa lo mastichiamo per un po', facciamo simulazioni e poi quando tutto ha senso lo scriviamo. In questo caso, abbiamo dovuto ricontrollare tutto e poi fare un giudizio per dire che questa è una scoperta entusiasmante e anche altre persone oltre a noi possono lavorare su questo e pensare e aiutarci a provare a risolvere questo mistero".