Secondo uno studio condotto da ricercatori dell'Università del Michigan, un nuovo processo di fabbricazione per nanoparticelle metalliche elicoidali fornisce un modo più semplice ed economico per produrre rapidamente un materiale essenziale per dispositivi biomedici e ottici.
"Uno dei nostri motivi è quello di semplificare drasticamente la produzione di materiali complessi che rappresentano colli di bottiglia in molte tecnologie attuali", ha affermato Nicholas Kotov, professore universitario di scienze chimiche e ingegneria Irving Langmuir alla UM e co-autore corrispondente dello studio, pubblicato su Atti dell'Accademia nazionale delle scienze .
Le superfici chirali, ovvero prive di simmetria speculare (ad esempio, una mano sinistra e una mano destra), che hanno la capacità di piegare la luce su scala nanometrica, sono molto richieste. Il nuovo studio dimostra un modo per realizzarli stampando in 3D “foreste” di eliche su scala nanometrica. L'allineamento degli assi delle eliche con un raggio di luce crea una forte rotazione ottica, consentendo di sfruttare la chiralità nelle tecnologie sanitarie e dell'informazione, per le quali la chiralità è comune.
Le superfici chirali dei metalli plasmonici sono ancora più desiderabili perché possono produrre una vasta famiglia di biorivelatori molto sensibili. Ad esempio, possono rilevare biomolecole specifiche, prodotte da batteri pericolosi resistenti ai farmaci, proteine mutate o DNA, che possono aiutare lo sviluppo di terapie mirate. Questi materiali offrono anche il potenziale per far avanzare le tecnologie dell'informazione, creando maggiori capacità di archiviazione dei dati e velocità di elaborazione più elevate sfruttando l'interazione della luce con i sistemi elettronici (ad esempio, cavi in fibra ottica).
Sebbene queste speciali superfici strutturate in 3D da eliche stand-up siano molto necessarie, i metodi tradizionali per realizzarle sono complessi, costosi e creano molti rifiuti.
Più comunemente questi materiali sono realizzati utilizzando hardware altamente specializzato, come la litografia 3D a due fotoni o la deposizione indotta da fascio di ioni/elettroni, disponibile solo in alcune strutture di fascia alta. Sebbene accurati, questi metodi implicano un'elaborazione in più fasi, dispendiosa in termini di tempo, in condizioni di bassa pressione o alta temperatura.
La stampa 3D è stata suggerita come alternativa, ma le tecnologie di stampa 3D esistenti non consentono una risoluzione su scala nanometrica. Come soluzione, il team di ricerca dell'UM ha sviluppato un metodo che utilizza fasci di luce elicoidali per produrre eliche su scala nanometrica con mano e passo specifici.
"Superfici plasmoniche chirali su scala centimetrica possono essere prodotte in pochi minuti utilizzando laser economici di media potenza. È stato sorprendente vedere quanto velocemente crescono queste foreste elicoidali", ha affermato Kotov.
La stampa 3D di strutture elicoidali mediante luce elicoidale si basa sul trasferimento della chiralità dalla luce alla materia scoperto alla UM circa 10 anni fa.
La stampa a scrittura diretta in un unico passaggio, senza maschera, da soluzioni acquose di sale d’argento fornisce un’alternativa alla nanolitografia e allo stesso tempo fa avanzare la produzione additiva 3D. La semplicità di elaborazione, l'elevata rotazione di polarizzazione e la risoluzione spaziale fine della stampa di eliche dal metallo guidata dalla luce accelereranno notevolmente la preparazione di un'architettura complessa su scala nanometrica per la prossima generazione di chip ottici.
Ulteriori informazioni: Ji-Young Kim et al, Stampa 3D a scrittura diretta di nanoelicoidi plasmonici mediante luce polarizzata circolarmente, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2312082121
Fornito dal College of Engineering dell'Università del Michigan
