Immagina di creare nuovi dispositivi con proprietà ottiche sorprendenti ed esotiche che non si trovano in natura, semplicemente facendo evaporare una goccia di particelle su una superficie.

Costruendo chimicamente gruppi di nanosfere da un liquido, un team di ricercatori di Harvard, in collaborazione con scienziati della Rice University, l'Università del Texas ad Austin, e l'Università di Houston, ha sviluppato proprio questo.

Il ritrovamento, pubblicato nel numero del 28 maggio di Scienza , dimostra semplici dispositivi scalabili che esibiscono proprietà ottiche personalizzabili adatte per applicazioni che vanno da sensori e rilevatori altamente sensibili ai mantelli dell'invisibilità. Utilizzando particelle costituite da gusci metallici concentrici e isolanti, Jonathan Fan, uno studente laureato presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), il suo co-autore principale Federico Capasso, Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica presso SEAS, e Vinothan Manoharan, Professore Associato di Ingegneria Chimica e Fisica presso SEAS e Dipartimento di Fisica di Harvard, ideato un bottom-up, approccio di autoassemblaggio per affrontare la sfida del design.

"Una sfida di vecchia data nell'ingegneria ottica è stata quella di trovare modi per realizzare strutture di dimensioni molto più piccole della lunghezza d'onda che esibiscano proprietà desiderate e interessanti, " dice Fan. "Alle frequenze visibili, queste strutture devono essere su scala nanometrica".

In contrasto, la maggior parte dei dispositivi su scala nanometrica è fabbricata utilizzando approcci dall'alto verso il basso, simile a come vengono prodotti i chip dei computer. Le dimensioni più piccole realizzabili con tali tecniche sono fortemente vincolate dai limiti intrinseci del processo di fabbricazione, come la lunghezza d'onda della luce utilizzata nel processo. Inoltre, tali metodi sono limitati alle geometrie planari, sono costose, e richiedono infrastrutture intense come le camere bianche.

"Con il nostro approccio dal basso verso l'alto, imitiamo il modo in cui la natura crea strutture innovative, che presentano proprietà estremamente utili, " spiega Capasso. "I nostri nanocluster si comportano come minuscoli circuiti ottici e potrebbero essere la base di nuove tecnologie come rilevatori di singole molecole, sonde efficienti e biologicamente compatibili nella terapia del cancro, e pinzette ottiche per manipolare e selezionare particelle di dimensioni nanometriche. Inoltre, il processo di fabbricazione è molto più semplice ed economico da eseguire."

Il metodo di autoassemblaggio del ricercatore non richiede altro che un po' di miscelazione e asciugatura. Per formare i cluster, le particelle vengono prima rivestite con un polimero, e una goccia di essi viene poi evaporata su una superficie idrorepellente. Nel processo di evaporazione, le particelle si impacchettano in piccoli ammassi. Utilizzando distanziatori polimerici per separare le nanoparticelle, i ricercatori sono stati in grado di ottenere in modo controllabile uno spazio di due nanometri tra le particelle, una risoluzione di gran lunga migliore di quella consentita dai tradizionali metodi top-down.

Due tipi di circuiti ottici risultanti sono di notevole interesse. un trimero, composto da tre particelle equidistanti, può supportare una risposta magnetica, una proprietà essenziale dei mantelli dell'invisibilità e dei materiali che mostrano un indice di rifrazione negativo.

"In sostanza, il trimero agisce come un risonatore su nanoscala in grado di supportare un circuito circolante di corrente a frequenze visibili e nel vicino infrarosso, " dice Fan. "Questa struttura funziona come un magnete su nanoscala a frequenze ottiche, qualcosa che i materiali naturali non possono fare."

ettameri, o imballato sette strutture di particelle, mostrano quasi nessuna dispersione per una gamma ristretta di colori o lunghezze d'onda ben definiti quando illuminati con luce bianca. Questi tuffi acuti, note come risonanze di Fano, derivano dall'interferenza di due modi di oscillazioni elettroniche, una modalità "luminosa" e una modalità "scura" non otticamente attiva, nella nanoparticella.

"Gli eptameri sono molto efficienti nel creare campi elettrici estremamente intensi localizzati in regioni di dimensioni nanometriche dove possono essere intrappolate molecole e particelle su scala nanometrica, manipolato, e rilevato. Il rilevamento molecolare si baserebbe sulla rilevazione dei cambiamenti negli spettri ristretti, "dice Capasso.

In definitiva, tutti i progetti di circuiti autoassemblati possono essere facilmente regolati variando la geometria, come si separano le particelle, e l'ambiente chimico. In breve, il nuovo metodo consente un "kit di attrezzi" per manipolare "molecole artificiali" in modo tale da creare proprietà ottiche a piacimento, una caratteristica che i ricercatori si aspettano è ampiamente generalizzabile a una serie di altre caratteristiche.

Guardando avanti, i ricercatori hanno in programma di lavorare per ottenere rendimenti di cluster più elevati e sperano di assemblare strutture tridimensionali su macroscala, un "Santo Graal" della scienza dei materiali.

"Siamo entusiasti della potenziale scalabilità del metodo, " dice Manoharan. "Le sfere sono le forme più facili da assemblare in quanto possono essere facilmente imballate insieme. Mentre qui abbiamo dimostrato solo cluster di particelle planari, il nostro metodo può essere esteso a strutture tridimensionali, qualcosa che un approccio top-down avrebbe difficoltà a fare."