Il setup sperimentale nel laboratorio laser del professor Eric Mazur ad Harvard. Utilizzando laser a femtosecondi, Mazur e colleghi hanno sviluppato un nuovo processo di nanofabbricazione da utilizzare nella creazione di metamateriali. Credito:Eliza Grinnell, Harvard SEAS
I ricercatori in fisica applicata hanno superato un ostacolo importante nello sviluppo di materiali avanzati, chiamati metamateriali, che piegano la luce in modi insoliti.
Lavorando su una scala applicabile alla luce infrarossa, il team di Harvard ha utilizzato impulsi laser estremamente brevi e potenti per creare modelli tridimensionali di minuscoli punti d'argento all'interno di un materiale. Quei punti metallici sospesi sono essenziali per costruire dispositivi futuristici come i mantelli dell'invisibilità.
Il nuovo processo di fabbricazione, descritto nel giornale Lettere di fisica applicata , fa avanzare la litografia metallica su scala nanometrica in tre dimensioni e lo fa a una risoluzione sufficientemente alta da essere pratica per i metamateriali.
"Se vuoi un metamateriale sfuso per la luce visibile e infrarossa, è necessario incorporare particelle di argento o oro all'interno di un dielettrico, e devi farlo in 3D, ad alta risoluzione, ", afferma l'autore principale Kevin Vora, uno studente laureato presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).
"Questo lavoro dimostra che possiamo creare punti d'argento che sono disconnessi in x, si, e z, "Vora dice. "Non c'è nessun'altra tecnica che ti permetta di farlo. Essere in grado di creare modelli di nanostrutture in 3D è un grande passo avanti verso l'obiettivo di realizzare metamateriali sfusi".
Una nuova tecnica di fabbricazione laser sviluppata ad Harvard consente la creazione di nanoparticelle d'argento disposte con precisione che sono disconnesse in 3-D e supportate da una matrice polimerica. La nuova tecnica potrebbe rivelarsi fondamentale nello sviluppo dei metamateriali. Credito:immagine per gentile concessione di Kevin Vora
Vora lavora nel laboratorio di Eric Mazur, Balkanski Professore di Fisica e Fisica Applicata presso SEAS. Per decenni, Mazur ha utilizzato un'apparecchiatura chiamata laser a femtosecondi per indagare su quanto strettamente focalizzato, potenti esplosioni di luce possono cambiare l'elettricità, ottico, e proprietà fisiche di un materiale.
Quando un laser convenzionale brilla su un materiale trasparente, la luce passa dritta, con leggera rifrazione. Il laser a femtosecondi è speciale perché emette una raffica di fotoni luminosi come la superficie del sole in un lampo della durata di soli 50 quadrilionesimi (5 × 10 -14 ) di un secondo. Invece di risplendere attraverso il materiale, quell'energia rimane intrappolata al suo interno, eccitando gli elettroni all'interno del materiale e ottenendo un fenomeno noto come assorbimento non lineare.
Dentro la tasca dove è intrappolata quell'energia, può avvenire una reazione chimica, alterando in modo permanente la struttura interna del materiale. Il processo è stato precedentemente sfruttato per la nanofabbricazione di metalli 2D e 3D semplice.
"Normalmente, quando le persone usano i laser a femtosecondi nella fabbricazione, stanno creando una struttura a pila di legno:qualcosa accatastato su qualcos'altro, essere sostenuto da qualcos'altro, " spiega Mazur.
"Se vuoi creare una serie di punti d'argento, però, non possono fluttuare nello spazio."
Nel nuovo processo, Vora, Mazur, e i loro colleghi combinano il nitrato d'argento, acqua, e un polimero chiamato PVP in una soluzione, che cuociono su un vetrino. Il polimero solido contiene quindi ioni di argento, che sono fotoridotti dagli impulsi laser strettamente focalizzati per formare nanocristalli di metallo argentato, supportato dalla matrice polimerica.
La necessità di questa particolare combinazione di sostanze chimiche, alle giuste concentrazioni, non era evidente nel lavoro precedente. I ricercatori a volte combinano il nitrato d'argento con l'acqua per creare nanostrutture d'argento, ma quel processo non fornisce alcun supporto strutturale per un modello 3D. Un altro processo combina nitrato d'argento, acqua, PVP, ed etanolo, ma i campioni si scuriscono e si degradano molto rapidamente producendo cristalli d'argento in tutto il polimero.
Con etanolo, la reazione avviene troppo rapidamente e in modo incontrollabile. Il team di Mazur aveva bisogno di cristalli su scala nanometrica, precisamente distribuito e isolato in 3D.
"Si trattava solo di rimuovere quel reagente, e siamo stati fortunati, " Dice Vora. "La cosa più sorprendente è stata la sua semplicità. Si trattava di usarne di meno".
