Più di un decennio fa, i teorici hanno previsto la possibilità di una nanolente, una catena di tre sfere su nanoscala che concentrerebbe la luce in entrata in un punto molto più piccolo di quanto possibile con la microscopia convenzionale. Un tale dispositivo renderebbe possibile l'imaging ad altissima risoluzione o il rilevamento biologico. Ma gli scienziati non erano stati in grado di costruire e disporre molte nanolenti su una vasta area.

"Ecco dove siamo entrati, " ha detto Xiaoying Liu, ricercatore senior presso l'Istituto di ingegneria molecolare dell'Università di Chicago. Liu e Paul Nealey, il Dougan Professor in Ingegneria Molecolare, ha collaborato con esperti in nanofotonica presso l'Air Force Research Laboratory e la Florida State University per inventare un nuovo modo per costruire nanolenti in grandi matrici utilizzando una combinazione di tecniche chimiche e litografiche.

Hanno allineato tre nanoparticelle d'oro sferiche di dimensioni graduate nella disposizione di fili di perle prevista per produrre l'effetto di messa a fuoco. Il tasto, disse Liu, era il controllo:"Abbiamo posizionato ogni singolo blocco costitutivo delle nanoparticelle esattamente nella posizione in cui volevamo che andasse. Questa è l'essenza della nostra tecnica di fabbricazione".

Il team ha descritto la sua tecnica nell'ultima edizione di Materiale avanzato . Il primo passaggio utilizza i metodi litografici utilizzati nella realizzazione di circuiti stampati per creare una maschera chimica. La maschera di Liu e Nealey lascia esposto uno schema di tre punti di dimensioni decrescenti su un substrato come silicio o vetro che non assorbirà le nanoparticelle d'oro.

Modelli delicati

La litografia consente di ottenere modelli estremamente precisi e delicati, ma non può produrre strutture tridimensionali. Quindi gli scienziati hanno usato la chimica per costruire sopra il substrato modellato in tre dimensioni. Hanno trattato le macchie con catene polimeriche che sono state poi legate al substrato attraverso legami chimici.

"Il contrasto chimico tra le tre macchie e lo sfondo fa sì che le particelle d'oro vadano solo sulle macchie, " ha detto Liu. Per fare in modo che ciascuna delle tre dimensioni delle nanosfere aderisca solo al proprio punto designato, gli scienziati hanno giocato con la forza dell'interazione chimica tra punto e sfera. "Controlliamo la dimensione delle diverse aree nel modello chimico, e controlliamo il potenziale di interazione della chimica di quelle aree con le nanoparticelle, " ha detto Neale.

Solo il punto più grande ha la quantità di forza necessaria per attrarre e trattenere la particella più grande; l'interazione della particella con il centro e le piccole macchie è troppo debole.

Quando le grandi sfere vengono adsorbite, gli scienziati usano lo stesso trucco per mettere le sfere di medie dimensioni sui punti di medie dimensioni, e infine passare al più piccolo.

"È come la storia dei tre orsi, " ha detto Nealey. "Possiamo mettere quelli grandi sui punti grandi, ma non si attaccheranno ai punti più piccoli; quindi metti quello della misura successiva sul punto medio, ma non si attaccherà al piccolo punto. Con questa produzione sequenziale siamo in grado di arrivare a questi precisi assemblaggi di tre particelle di dimensioni diverse in stretta vicinanza l'una all'altra".

Piccole separazioni

Le sfere sono separate solo da pochi nanometri. È questa piccola separazione, accoppiato con l'ordine sequenziale delle sfere di diverse dimensioni, che produce l'effetto nanolensing.

"Ottieni questa concentrazione nell'intensità della luce tra le nanoparticelle di piccole e medie dimensioni, " ha detto Neale.

Gli scienziati stanno già esplorando l'utilizzo di questo "punto caldo" per il rilevamento ad alta risoluzione utilizzando la spettroscopia. "Se ci metti una molecola, interagirà con la luce focalizzata, " ha detto Liu. "Il campo potenziato in questi punti caldi ti aiuterà a ottenere segnali di ordini di grandezza più forti, e questo ci dà l'opportunità di ottenere un rilevamento ultrasensibile. Forse alla fine possiamo rilevare singole molecole".

I ricercatori prevedono anche di applicare la loro tecnica di fabbricazione a nanoparticelle di altre forme, come bacchette e stelle. "La fisica delle particelle di forma diversa rispetto alle sfere consente anche uno spettro più ampio di applicazioni, " ha detto Neale.

"C'è una vasta gamma di proprietà che potresti realizzare mettendo particelle con forme asimmetriche una accanto all'altra". Il metodo avrà un'ampia applicazione per qualsiasi processo che richieda il posizionamento di precisione di materiali in prossimità dello stesso tipo o di diversi tipi di materiali. Lo farà, Nealey prevede, "fare parte del modo in cui viene eseguita la nanoproduzione".