Il campo dei metamateriali riguarda la creazione di strutture che hanno proprietà fisiche che non si trovano in natura. Prevedere quali tipi di strutture avrebbero quei tratti è una sfida; fabbricarli fisicamente è un'altra cosa, poiché spesso richiedono una disposizione precisa dei materiali costituenti sulle scale più piccole.

I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno ora escogitato un modo per produrre in serie metamateriali che esibiscono risonanza magnetica nelle frequenze ottiche. Chiamate "metamolecole simili al lampone" per la loro forma unica, queste strutture su scala nanometrica potrebbero essere utilizzate come elementi costitutivi per metamateriali che potrebbero disperdere la luce come se avessero proprietà magnetiche, che potrebbe essere rilevante per le applicazioni nell'elaborazione ottica e nella gestione del segnale. Queste metamolecole simili a lamponi reagiscono al campo magnetico della luce come un anello di filo fa con un magnete oscillante.

Questa capacità deriva dalla precisa disposizione delle "drupelette" della metamolecola simile al lampone. " che sono composti da nanoparticelle d'oro. Queste drupe devono essere il più vicino possibile senza toccarsi per non "cortocircuitare" i campi elettrici ottici intorno a loro. Attraverso un processo chimico attentamente progettato che ha rivestito ogni drupa con un tensioattivo isolante, il team di Penn è stato in grado di distanziare queste nanoparticelle a una distanza media di soli due nanometri l'una dall'altra.

E poiché l'assemblaggio delle drupecelle di nanoparticelle e del rivestimento con tensioattivo può essere eseguito in un unico passaggio, grandi quantità di queste metamolecole simili a lamponi possono essere fabbricate in una sola volta, piuttosto che essere scrupolosamente assemblati uno alla volta.

La ricerca è stata condotta dall'autore principale Zhaoxia Qian, che si è recentemente laureato in chimica alla Penn's School of Arts &Sciences; Nader Engheta, l'H. Nedwill Ramsey Professor di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi presso la Penn's School of Engineering and Applied Science; Zahra Fakhrai, assistente professore di chimica in Penn Arts &Sciences; e So-Jung Park, già professore associato del Dipartimento di Chimica, ora professore di chimica alla Ewha Womans University della Corea del Sud. Hanno contribuito anche Simon Hastings, che da poco si è laureato in fisica, e lo studente laureato in chimica Chen Li, insieme allo specialista di ricerca Brian Edwards e alla studentessa universitaria in visita Christine K. McGinn, sia di Ingegneria Elettrica che di Sistemi.

È stato pubblicato sulla rivista ACS Nano .

Se si prende un cappio di filo e si fa passare un magnete su e giù per il centro, il risultante campo magnetico oscillante spinge gli elettroni attorno al filo, producendo corrente elettrica nel filo. Questo principio è in gioco in ogni generatore, che ha magneti che oscillano a circa 50 hertz, o 50 volte al secondo. Ma cosa accadrebbe se questo principio potesse essere esteso alle frequenze ottiche, nell'ordine di 500 terahertz? Invece di generare elettricità, il ciclo sarebbe in grado di manipolare la luce visibile.

"Non sono noti materiali che abbiano proprietà magnetiche nelle frequenze ottiche, " Disse Fahkraai. "Se potessi fabbricare strutture come questa, potrebbero essere elementi costitutivi di metamateriali in grado di disperdere la luce come se avessero proprietà magnetiche".

Engheta aveva previsto che tale struttura fosse possibile nel 2006, e negli anni successivi altri gruppi di ricerca hanno prodotto fisicamente metamateriali che esibiscono questo tratto. Tali strutture erano per lo più anelli di nanoparticelle di metallo costruiti scrupolosamente, distanziati su una superficie piana in modo tale che gli elettroni non possano effettivamente muoversi tra di loro.

"Perché il metallo non si tocca, "Engheta ha detto, "Gli elettroni possono oscillare solo all'interno delle singole particelle e non possono spostarsi da una nanoparticella a quella vicina. Questa è nota come corrente di spostamento. È come fare l'onda in uno stadio; nessun tifoso si muove dal proprio posto, ma l'onda si muove in cerchio".

Una configurazione simile a un lampone, dove le nanoparticelle sono raggruppate sfericamente attorno a un nucleo, piuttosto che un anello, sarebbe ancora meglio, poiché una sezione trasversale del lampone si comporta come un anello di nanoparticelle, indipendentemente dalla direzione in cui viene applicato il campo magnetico. Altri ricercatori hanno iniziato a passare dalle tecniche di assemblaggio meccanico all'autoassemblaggio chimico di tali strutture, ma hanno incontrato ostacoli.

L'approccio del team Penn risolve i problemi adottando un approccio sintetico.

"Le persone hanno già provato a mettere in soluzione questo tipo di strutture, tipicamente assemblando nanoparticelle pre-sintetizzate, "Qian ha detto, "ma è difficile ottenere un'alta densità di nanoparticelle che si impaccano attraverso quel percorso".

"Nel nostro caso, "Park ha detto, "generiamo cluster di nanoparticelle ravvicinati con un approccio sintetico in cui la crescita e l'assemblaggio delle nanoparticelle avvengono simultaneamente. Una sfida in tale approccio sintetico è che le nanoparticelle in crescita tendono a formare un guscio fuso. Nel nostro metodo, usiamo uno speciale tensioattivo che forma un sottile strato molecolare, ma proteggendo strettamente, strato attorno alle nanoparticelle, che impedisce loro di toccarsi."

Il metodo sintetico del team Penn riduce parte della complessità che altrimenti deriva dalla produzione di queste metamolecole simili a lamponi.

"È come fare uno stufato, " Disse Engheta. "Tu butti tutto in una pentola."

Gli ingredienti per lo spezzatino sono sfere di polistirolo decorate con piccole particelle di semi d'argento, nitrato d'argento, sali d'oro e agenti riducenti che rompono quei sali e consentono agli atomi d'oro di formare nanoparticelle. Tutti questi ingredienti sono inseriti in una formula di crescita contenente il tensioattivo isolante, che forma uno strato sottile all'esterno delle nanoparticelle d'oro in crescita, ammortizzandoli l'uno dall'altro.

Ulteriori ricerche sulla chimica dei tensioattivi consentiranno al team di ridurre ulteriormente la distanza tra le nanoparticelle, per rafforzare ulteriormente le proprietà magnetiche delle metamolecole simili al lampone. Questo tratto è fondamentale per le capacità delle strutture di manipolare la luce e quindi di essere utilizzato nei dispositivi ottici.

"Se vuoi realizzare induttori a frequenze ottiche, "Fahkraai ha detto, "hai bisogno di qualcosa che possa rispondere a frequenze molto alte. Più ci avviciniamo alle nanoparticelle, più forte possiamo fare la dispersione della luce a causa degli effetti magnetici."