particelle colloidali, utilizzato in una vasta gamma di applicazioni tecniche tra cui alimenti, inchiostri, vernici, e cosmetici, può autoassemblarsi in una notevole varietà di strutture cristalline densamente imballate. Per decenni, anche se, i ricercatori hanno cercato di convincere le sfere colloidali a organizzarsi in reticoli molto più scarsamente popolati al fine di liberare proprietà ottiche potenzialmente preziose. Queste strutture, chiamati cristalli fotonici, potrebbe aumentare l'efficienza dei laser, miniaturizzare ulteriormente i componenti ottici, e aumentare notevolmente la capacità degli ingegneri di controllare il flusso di luce.

Un team di ingegneri e scienziati della NYU Tandon School of Engineering Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare, il Centro della NYU per la ricerca sulla materia soffice, e la Sungkyunkwan University School of Chemical Engineering nella Repubblica di Corea riferiscono di aver trovato un percorso verso l'autoassemblaggio di queste sfuggenti strutture di cristalli fotonici mai assemblate prima su scala sub-micrometrica (un micrometro è circa 100 volte più piccolo del diametro di una ciocca di capelli umani).

La ricerca, che appare sul giornale Materiali della natura , introduce un nuovo principio di progettazione basato su componenti preassemblati della sovrastruttura desiderata, proprio come una casa prefabbricata inizia come un insieme di sezioni prefabbricate. I ricercatori riferiscono di essere stati in grado di assemblare le sfere colloidali in strutture di cristalli di diamante e pirocloro - una sfida particolarmente difficile perché così tanto spazio è lasciato libero.

Il gruppo, composto da Etienne Ducrot, un ricercatore post-dottorato presso il NYU Center for Soft Matter Research; Mingxin He, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare alla NYU Tandon; Gi-Ra Yi dell'Università Sungkyunkwan; e David J. Pine, presidente del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare presso la NYU Tandon School of Engineering e professore di fisica della NYU presso il NYU College of Arts and Science, ha preso ispirazione da una lega metallica di magnesio e rame che si trova naturalmente nelle strutture di diamante e pirocloro come sub-reticoli. Hanno visto che queste strutture complesse potevano essere scomposte in singole sfere e ammassi tetraedrici (quattro sfere permanentemente legate). Per realizzarlo in laboratorio, hanno preparato ammassi colloidali di plastica submicronica e sfere, e impiegava segmenti di DNA legati alla loro superficie per dirigere l'autoassemblaggio nella sovrastruttura desiderata.

"Siamo in grado di costruire quelle strutture complesse perché non iniziamo con singole sfere come elementi costitutivi, ma con parti premontate già 'incollate' tra loro, " disse Ducrot. " Riempiamo i vuoti strutturali del reticolo del diamante con una struttura compenetrata, il pirocloro, sembra essere prezioso quanto il reticolo del diamante per future applicazioni fotoniche".

Ducrot ha detto che i cristalli colloidali aperti, come quelli con configurazioni a diamante e pirocloro, sono desiderabili perché, quando composto dal materiale giusto, possono possedere band gap fotonici, intervalli di frequenza della luce che non possono propagarsi attraverso la struttura, il che significa che potrebbero essere per la luce ciò che i semiconduttori sono per gli elettroni.

"Questa storia ha richiesto molto tempo in quanto tali proprietà dei materiali sono state previste 26 anni fa, ma fino ad ora, non c'era un percorso pratico per costruirli, " ha detto. "Per ottenere un gap di banda nella parte visibile dello spettro elettromagnetico, le particelle devono essere dell'ordine di 150 nanometri, che è nell'intervallo colloidale. In tale materiale, la luce dovrebbe viaggiare senza dissipazione lungo un difetto, rendendo possibile la costruzione di chip basati sulla luce."

Pine ha affermato che la tecnologia di autoassemblaggio è fondamentale per rendere la produzione di questi cristalli economicamente fattibile perché la creazione di grandi quantità di cristalli con tecniche di litografia su scala corretta sarebbe estremamente costosa e molto impegnativa.

"L'autoassemblaggio è quindi un modo molto interessante per creare in modo economico cristalli con un band gap fotonico in grandi quantità, " disse Pino.