A sinistra ci sono micrografie di supercristalli di nanocristalli poliderali d'argento e a destra i diagrammi corrispondenti dei loro impaccamenti conosciuti più densi per cubi (dall'alto verso il basso), cubi troncati e cubottaedri. Credito:immagine per gentile concessione di Berkeley Lab
La domanda su quanti nanocristalli poliedrici d'argento possono essere confezionati in supercristalli di dimensioni millimetriche potrebbe non essere accesa su molte labbra, ma la risposta è importante per uno dei nuovi campi high-tech più caldi di oggi:la plasmonica! I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE potrebbero aver aperto la porta a un approccio più semplice per la fabbricazione di materiali plasmonici inducendo nanocristalli d'argento di forma poliedrica ad autoassemblarsi in supercristalli tridimensionali della massima densità possibile.
La plasmonica è il fenomeno per cui un raggio di luce è confinato in spazi ultra ristretti permettendogli di essere manipolato per fare cose che un raggio di luce in uno spazio aperto non può. Questo fenomeno è molto promettente per i computer superveloci, microscopi in grado di vedere oggetti su scala nanometrica con luce visibile, e persino la creazione di tappeti dell'invisibilità. Una grande sfida per lo sviluppo della tecnologia plasmonica, però, è la difficoltà di fabbricare metamateriali con interfacce di dimensioni nanometriche tra metalli nobili e dielettrici.
Peidong Yang, un chimico con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, ha condotto uno studio in cui nanocristalli d'argento di una varietà di forme poliedriche si autoassemblavano in sovrastrutture esotiche di dimensioni millimetriche attraverso una semplice tecnica di sedimentazione basata sulla gravità. Questa prima dimostrazione in assoluto della formazione di supercristalli d'argento su larga scala attraverso la sedimentazione è descritta in un articolo sulla rivista Materiali della natura intitolato "Autoassemblaggio di nanocristalli d'argento poliedrici uniformi in imballaggi più densi e superreticoli esotici". Yang, che ricopre anche incarichi con il Dipartimento di Chimica dell'Università della California Berkeley e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, è l'autore corrispondente.
"Abbiamo dimostrato attraverso esperimenti e simulazioni al computer che una gamma di i cristalli poliedrici d'argento su scala nanometrica possono autoassemblarsi in strutture che sono state calcolate per essere gli imballaggi più densi di queste forme, " Yang dice. "Inoltre, nel caso degli ottaedri, abbiamo dimostrato che il controllo della concentrazione del polimero ci consente di sintonizzarci tra una ben nota struttura di impaccamento reticolare e una nuova struttura di impaccamento che presentava complessi motivi elicoidali".
Rappresentazione schematica di forme poliedriche accessibili utilizzando la sintesi di polioli d'argento sviluppata da Peidong Yang, et. al. Credito:immagine per gentile concessione di Berkeley Lab
Nel Materiali della natura l'articolo Yang e i suoi coautori descrivono una tecnica di sintesi di polioli che è stata utilizzata per generare nanocristalli d'argento in varie forme, compresi i cubetti, cubetti troncati, cubottaedri, ottaedri troncati e ottaedri in una gamma di dimensioni da 100 a 300 nanometri. Questi nanocristalli poliedrici uniformi sono stati quindi posti in soluzione dove si sono assemblati in densi supercristalli di circa 25 millimetri quadrati di dimensioni attraverso la sedimentazione gravitazionale. Mentre il processo di assemblaggio potrebbe essere effettuato in soluzione di massa, il fatto che l'assemblaggio avesse luogo nei serbatoi dei canali di microarray ha fornito a Yang e ai suoi collaboratori un controllo preciso delle dimensioni del superreticolo.
"In un tipico esperimento, una soluzione diluita di nanoparticelle è stata caricata in un serbatoio che è stato poi inclinato, facendo sì che le particelle sedimentino gradualmente e si raccolgano sul fondo del serbatoio, " Yang dice. "Soluzioni più concentrate o angoli di inclinazione più elevati hanno fatto sì che gli assemblaggi si formassero più rapidamente".
The assemblies generated by this sedimentation procedure exhibited both translational and rotational order over exceptional length scales. In the cases of cubes, truncated octahedra and octahedra, the structures of the dense supercrystals corresponded precisely to their densest lattice packings. Although sedimentation-driven assembly is not new, Yang says this is the first time the technique has been used to make large-scale assemblies of highly uniform polyhedral particles.
"The key factor in our experiments is particle shape, a feature we have found easier to control, " Yang says. "When compared with crystal structures of spherical particles, our dense packings of polyhedra are characterized by higher packing fractions, larger interfaces between particles, and different geometries of voids and gaps, which will determine the electrical and optical properties of these materials."
The silver nanocrystals used by Yang and his colleagues are excellent plasmonic materials for surface-enhanced applications. Packing the nanocrystals into three-dimensional supercrystals allows them to be used as metamaterials with the unique optical properties that make plasmonic technology so intriguing.
"Our self-assembly process for these silver polyhedral nanocrystals may give us access to a wide range of interesting, scalable nanostructured materials with dimensions that are comparable to those of bulk materials, " Yang says.
