(Phys.org)—Mentre la biotecnologia e la nanotecnologia continuano a fondersi, I metodi programmabili del DNA sono emersi come un modo per fornire un controllo senza precedenti sull'assemblaggio di nanoparticelle in strutture complesse, comprese strutture periodiche personalizzabili note come superreticoli che consentono di mettere a punto l'interazione tra la luce e raccolte di particelle altamente organizzate. Le strutture reticolari sono state storicamente bidimensionali perché fabbricare reticoli di DNA tridimensionali è stato troppo difficile, mentre i cristalli fotonici dielettrici tridimensionali hanno interazioni luce-materia migliorate e consolidate. Però, la scarsità di mezzi sintetici per creare cristalli plasmonici (quelli che sfruttano plasmoni di superficie prodotti dall'interazione della luce con materiali metallo-dielettrici) basati su array di nanoparticelle ha impedito loro di essere studiati sperimentalmente. Allo stesso tempo, è stato suggerito che i cristalli fotonici polaritonici (PPC) - controparti plasmoniche dei cristalli fotonici - possono impedire la propagazione della luce e aprire un gap di banda fotonico (noto anche come gap polariton) mediante un forte accoppiamento tra plasmoni di superficie e modalità fotoniche se il cristallo è in un regime di dimensione della lunghezza d'onda profonda. ( Polaritoni sono quasiparticelle risultanti da un forte accoppiamento di onde elettromagnetiche con un'eccitazione elettrica o magnetica che trasporta un dipolo.)

A quello scopo, scienziati della Northwestern University hanno recentemente riportato forti interazioni luce-plasmone all'interno di cristalli fotonici plasmonici 3D che hanno costanti reticolari e diametri delle nanoparticelle che possono essere controllati indipendentemente nel regime di dimensioni della lunghezza d'onda profonda utilizzando una tecnica di assemblaggio programmabile del DNA - i primi dispositivi preparati da DNA- cristallizzazione colloidale guidata. I ricercatori hanno dimostrato di poter regolare l'interazione tra la luce e le modalità elettroniche collettive delle nanoparticelle d'oro regolando in modo indipendente le costanti reticolari e i diametri delle nanoparticelle d'oro, aggiungendo che i loro risultati nella sintonizzazione delle interazioni tra la luce e le raccolte di particelle su nanoscala altamente organizzate suggeriscono la possibilità di applicazioni che includono i laser, elettrodinamica quantistica e biosensori.

Il prof. George C. Schatz ha discusso il documento che lui, Prof. Chad A. Mirkin, l'autore principale Daniel J. Park e i loro coautori pubblicati in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze affrontando prima le principali sfide incontrate dagli scienziati nel sintonizzare l'interazione tra la luce e le modalità elettroniche collettive delle nanoparticelle d'oro regolando in modo indipendente le costanti reticolari e i diametri delle nanoparticelle d'oro. "La lunghezza d'onda associata ai modi di risonanza fotonica" - come le interazioni di Fabry-Pérot che si verificano con gli interferometri con lo stesso nome - "è definita da una condizione di interferenza che dipende dalla geometria della microstruttura, nonché sull'indice di rifrazione effettivo del materiale nella microstruttura, "Schatz racconta Phys.org . "Allo stesso tempo, la lunghezza d'onda delle risonanze plasmoniche in una nanoparticella d'oro è determinata dall'eccitazione collettiva degli elettroni nella particella e dipende dalle dimensioni e dalla forma della nanoparticella e dall'indice di rifrazione dell'oro." I ricercatori hanno affrontato questo problema fabbricando materiali superreticolo che consentono la sintonizzazione indipendente queste due lunghezze d'onda, e quindi studiare le interazioni tra i modi di risonanza. Inoltre, Aggiunge, i ricercatori hanno trovato una gamma di parametri del superreticolo e delle nanoparticelle in cui le modalità fotoniche potrebbero essere osservate entrambe di seguito e al di sopra dell'energia plasmonica, cioè la sua lunghezza d'onda di risonanza, consentendo loro di osservare un gap di banda che indica un forte accoppiamento tra i modi.

Un secondo aspetto chiave della loro ricerca è stato l'utilizzo della cristallizzazione colloidale guidata dal DNA per controllare in modo indipendente forti interazioni luce-plasmone all'interno di cristalli fotonici plasmonici 3D che hanno costanti reticolari e diametri delle nanoparticelle, così come sintetizzare PPC plasmonici (cristalli fotonici polaritonici) da nanoparticelle d'oro. "Prima del nostro documento e lavoro pubblicato l'anno scorso ¹ dai nostri colleghi della Northwestern nel gruppo del Prof. Mirkin, il metodo di cristallizzazione guidata dal DNA era stato sviluppato per realizzare materiali superlattice con dimensioni variabili delle particelle d'oro e spaziatura reticolare, "Spiega Schatz.

"Però, " lui continua, "i materiali erano policristallini, e quindi non ha mostrato modalità fotoniche ben definite che possano consentire di sondare l'interazione tra luce e plasmoni di superficie. Un progresso chiave è stata la scoperta ¹ di un metodo per realizzare cristalli singoli superreticolo con un abito cristallino ben definito - cioè, una forma dodecaedrica rombica - e dimensioni variabili nell'ordine di pochi micron." Tuttavia, non era ancora chiaro se ci sarebbero stati modi ottici di qualità sufficientemente elevata da poter osservare le risonanze di Fabry-Pérot e sintonizzarle attraverso la risonanza plasmonica. "Ci sono voluti diversi mesi per sondare teoricamente e sperimentalmente e confermare la presenza di risonanze di Fabry-Pérot, " aggiunge Schatz.

Schatz e i suoi colleghi hanno affrontato queste sfide utilizzando misurazioni della retrodiffusione:il riflesso delle onde, particelle, o segnali di ritorno alla direzione della sorgente - per sondare le modalità Fabry-Pérot. "Sebbene le misurazioni di retrodiffusione siano state utilizzate in altri contesti, questa è stata la prima applicazione di questa tecnologia ai cristalli di superreticolo del DNA, e non ci è stato subito chiaro che si potevano osservare risonanze Fabry-Pérot per questo abito cristallino e la scelta del materiale, " nota Schatz. Tuttavia, come dettagliato nel loro documento attuale, gli scienziati hanno sviluppato un modello teorico realistico di questo esperimento che prevedeva l'esistenza dei modi Fabry-Pérot e la possibilità di osservarli tramite backscattering durante gli esperimenti. "Questo ci ha stimolato a fare gli esperimenti e a persistere con questo lavoro anche se i primi risultati erano di scarsa qualità. Inoltre, abbiamo utilizzato il modello computazionale per guidare l'ottimizzazione dell'esperimento, incluso il lavoro in cui abbiamo rivestito i PPC con argento".

Nella loro carta, i ricercatori hanno discusso ulteriori studi fotonici e possibili applicazioni nei laser, elettrodinamica quantistica della cavità, ottica quantistica, dinamica quantistica a molti corpi, biorilevamento e altre aree suggerite dalla regolazione delle interazioni luce-plasmone su nanoscala. "Il lavoro passato ha osservato il comportamento dell'elettrodinamica quantistica nelle cavità ottiche dielettriche, compresa la fluorescenza potenziata e soppressa dagli emettitori in queste cavità. I presenti esperimenti suggeriscono che questo tipo di misurazione può essere esteso a cavità in cui si verificano modalità ibride plasmoniche/fotoniche." Egli sottolinea che mentre i fenomeni di elettrodinamica quantistica tramite modalità ibride plasmoniche/fotoniche 2D sono già stati osservati negli ultimi anni, il loro sistema apre un'opportunità unica di utilizzare modalità cristalline 3D che contengono proprietà plasmoniche. "Come possibile applicazione, poiché i laser potenziati da plasmoni sono stati osservati con reticoli 2D, l'osservazione riuscita di modalità ibride fotonico-plasmoniche 3D suggerisce che tali laser possono essere preparati per reticoli 3D".

Un'altra scoperta interessante è la accordabilità delle interconnessioni del DNA e la corrispondente frazione di volume degli elementi plasmonici. "La sintonizzabilità delle interconnessioni del DNA fornisce la capacità di modificare la costante reticolare, "Schatz spiega, " e con una certa dimensione di nanoparticelle, variando la costante reticolare possiamo regolare il volume dell'oro."

Alla domanda se le loro scoperte potrebbero interagire o contribuire agli sviluppi della biologia sintetica e della genomica sintetica, così come l'accelerazione dell'integrazione delle biotecnologie e delle nanotecnologie nella medicina traslazionale, Schatz ha sottolineato che il DNA fornisce un "gancio" sintetico che può essere collegato alla biologia sintetica. "We can therefore envision using the genetic programmability of DNA as input to the synthesis of fluorescent proteins in precise locations, " adding that the medical applications of DNA-programmed superlattice materials are only at the concept stage. "From earlier work in the Mirkin group, we know how to use gold nanoparticles coated with DNA in medical diagnostics and therapeutics, so one can imagine future applications where these applications are extended to superlattices. A key point is that the superlattices provide a systematic tool for building structures that combine together inorganic components, such as metal or semiconductor nanoparticles with biomolecules."

Andando avanti, Schatz says, the researchers need to generalize the menu of superlattice crystals. "The micron-scale crystal habits exhibit other photonic modes – that is, functionalities – such as whispering gallery resonance and light focusing. Inoltre, other nanoparticle components such as silver nanoparticles and quantum dots can be incorporated into superlattices." This means that the scientists can play with a large number of photonic/electronic degrees of freedom within the framework of a DNA superlattice. "Therefore, we need to establish a well-defined set of photonic applications and studies utilizing and combining those physical degrees of freedom – and theory will play an important role in this process."

In terms of additional innovations, Schatz tells Phys.org that "now that we know that plasmon-photonic interactions can exhibit strong coupling, we need to expand this research, probably with different nanoparticles and with different types of photonic resonances. Per esempio, we can incorporate anisotropic nanoparticles that exhibit more interesting plasmonic response to polarization of light – and utilizing other available photonic modes that exhibit light focusing features, we can think about developing optical components such as a plasmonic microlens. Finalmente, synthesizing quantum dot nanoparticle superlattices, we can perform fundamental physics studies related to the collective exciton emission."

Schatz concludes that other areas of research might also benefit from their study. "We're excited about the possibility of using superlattice materials not just in photonics, but also in energy-related applications, including photovoltaics, photocatalysis, and batteries."

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