(Phys.org) —Se riesci a rompere uniformemente la simmetria delle coppie di nanorod in una soluzione colloidale, sei un passo avanti rispetto al gioco verso il raggiungimento di nuove ed entusiasmanti proprietà dei metamateriali. Ma il tradizionale assemblaggio colloidale termodinamico di questi metamateriali, che sono materiali definiti dalle loro proprietà non presenti in natura, spesso danno luogo a strutture con un alto grado di simmetrie nel materiale sfuso. In questo caso, il fabbisogno energetico non consente alla struttura di rompere la sua simmetria.

In uno studio condotto da Xiang Zhang, direttore della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, lui e il suo gruppo di ricerca presso l'Università della California (UC) Berkeley hanno raggiunto per la prima volta la rottura della simmetria in una soluzione di metamateriale sfuso. Zhang e il suo gruppo hanno dimostrato metamateriali ottici autoassemblati con simmetrie rotte su misura e quindi risposte elettromagnetiche uniche che possono essere ottenute tramite il loro nuovo metodo. I risultati sono stati pubblicati in Nanotecnologia della natura . Il documento è intitolato "Autoassemblaggio guidato dal feedback di metamateriali ottici che rompono la simmetria in soluzione".

"Abbiamo sviluppato un percorso di autoassemblaggio innovativo che potrebbe superare il limite termodinamico convenzionale nei sistemi di sintesi chimica", spiega Sui Yang, autore principale del documento Nature Nanotechnology e membro del gruppo di ricerca di Zhang. "In particolare, usiamo la proprietà del materiale come meccanismo di feedback di autocorrezione per autodeterminare la struttura finale."

Ciò ha portato il gruppo a produrre nanostrutture che storicamente sono state considerate impossibili da assemblare.

Il metodo ampiamente utilizzato per la sintesi dei metamateriali è la fabbricazione dall'alto verso il basso come la litografia a fascio di elettroni o a fascio ionico focalizzato che spesso si traduce in metamateriali fortemente anisotropi e su piccola scala.

"Le persone costruiscono metamateriali utilizzando metodi dall'alto verso il basso che includono l'esposizione alla luce e l'esposizione al raggio di elettroni, che sono inefficienti e costosi, "dice Xingjie Ni, un altro autore principale del documento. "Se vogliamo usare i metamateriali, dobbiamo sviluppare un modo per costruirli in modo economico ed efficiente".

Il percorso dal basso verso l'alto soddisfa questi requisiti. Partendo da una soluzione di nanotubi colloidali, Yang e Ni si sono basati sulla comune tecnica di autoassemblaggio utilizzata per costruire le nanoparticelle. La svolta che hanno aggiunto è stata quella di introdurre un meccanismo di feedback mediante il quale ottenere il prodotto desiderato.

Il prodotto desiderato durante la sintesi di nanotubi d'oro colloidale, che si stabilizzano durante la crescita per ottenere un legame preferenziale lungo le sfaccettature longitudinali, sono paia di canne, o dimeri, che sono spostati di una certa quantità:la loro simmetria è rotta uniformemente.

"Quando hai questa reazione, ottieni tutti i tipi di prodotti. Hai un paio di nanotubi senza alcuno spostamento l'uno rispetto all'altro; o una coppia troppo spostata; o non abbastanza. Questo è un processo tipico ed è governato dalla termodinamica, " spiega Yang.

Il team ha utilizzato un laser per eccitare la risonanza plasmonica di particelle specifiche prodotte nella reazione. Questo ha permesso loro di separare le risonanze indesiderate, indicando coppie di nanorod che non sono spostate della quantità desiderata, e dissociare quelle coppie usando il calore dell'eccitazione.

"Solo la risonanza desiderata sopravvive in questo processo, " dice Ni. "Quindi la reazione può essere ripetuta per produrre più del desiderato, particelle a simmetria rotta in base alla loro firma plasmonica. La chiara distinzione nei profili di risonanza rende questo metodo altamente selettivo.

"Questo è un nuovissimo metodo di fabbricazione autoassemblante che le persone possono comunemente impiegare:utilizziamo le proprietà del materiale per guidare la formazione di nanostrutture in soluzione. Questo ha il valore intrinseco di realizzare molte strutture in un lotto".

Il metodo sviluppato nel gruppo di ricerca di Zhang può essere applicato a molte altre nanoparticelle; infatti, quasi ogni struttura autoassemblabile potrebbe essere prodotta in questo modo. Questo risolve il problema di ottenere una rottura simmetrica su larga scala, e può aprire la porta a nuove proprietà e applicazioni.

L'esclusivo meccanismo di feedback porta a nanostrutture controllate con precisione con oltre simmetrie e funzionalità convenzionali.

"Come dimostrazione nel nostro giornale, abbiamo sintetizzato una nuova classe di metamateriali ottici che rompono la simmetria che hanno risposte elettromagnetiche isotrope e possono essere utilizzati in una serie di importanti applicazioni, come l'imaging a lunghezza d'onda inferiore, occultamento ottico e rilevamento, "dice Yang.

"In contrasto con la saggezza convenzionale secondo cui la struttura di un materiale determina le sue proprietà, suggeriamo provocatoriamente che le proprietà fisiche dei materiali, per disegno, può dettare l'evoluzione dell'autoassemblaggio e autodeterminare le strutture dei materiali sfusi", conclude Zhang.