Los investigadores han ideado un nuevo proceso para el autoensamblaje confiable de coloides en una formación de diamante que podría conducir a la fabricación escalable y barata de tales estructuras
La técnica fotónica tan esperada podría cambiar la forma en que se desarrollan y utilizan las tecnologías ópticas durante la próxima década.
El diamante coloidal ha sido un sueño de los investigadores desde la década de 1990. Estas estructuras, formaciones estables y autoensambladas de materiales minúsculos, tienen el potencial de generar ondas de luz tan útiles como los electrones en la informática y son prometedoras para una gran cantidad de otras aplicaciones. Pero aunque la idea de los diamantes coloidales se desarrolló hace décadas, nadie pudo producir las estructuras de manera confiable. Hasta ahora.
Los investigadores dirigidos por David Pine , profesor de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York y profesor de física en la Universidad de Nueva York, han ideado un nuevo proceso para el autoensamblaje de coloides en una formación de diamante que podría conducir a una fabricación económica y escalable de tales estructuras. El descubrimiento, detallado en "Colloidal Diamond", que aparece en la edición del 24 de septiembre de Nature, podría abrir la puerta a circuitos ópticos altamente eficientes que conduzcan a avances en computadoras ópticas y láseres, filtros de luz que son más confiables y más baratos de producir que nunca, y mucho más.
Pine y sus colegas, incluido el autor principal Mingxin He, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Nueva York, y el autor Stefano Sacanna, profesor asociado de química en NYU, han estado estudiando coloides y las posibles formas en que pueden estructurarse durante décadas. Estos materiales, compuestos por esferas cientos de veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano, pueden disponerse en diferentes formas cristalinas dependiendo de cómo se unan las esferas entre sí. Cada coloide se adhiere a otro usando hebras de ADN pegadas a las superficies de los coloides que funcionan como una especie de velcro molecular. Cuando los coloides chocan entre sí en un baño líquido, el ADN se engancha y los coloides se unen. Dependiendo de dónde se adhiera el ADN al coloide, pueden crear espontáneamente estructuras complejas.
Este proceso se ha utilizado para crear cadenas de coloides e incluso coloides en una formación cúbica. Pero estas estructuras no produjeron el Santo Grial de la fotónica, una banda prohibida para la luz visible. Así como un semiconductor filtra los electrones en un circuito, una banda prohibida filtra ciertas longitudes de onda de luz. Filtrar la luz de esta manera puede lograrse de manera confiable mediante coloides si están dispuestos en una formación de diamante, un proceso que se considera demasiado difícil y costoso de realizar a escala comercial.
“Ha habido un gran deseo entre los ingenieros de hacer una estructura de diamante”, dijo Pine. “La mayoría de los investigadores se habían rendido, a decir verdad, podemos ser el único grupo en el mundo que todavía está trabajando en esto. Así que creo que la publicación del artículo será una sorpresa para la comunidad ".
Los investigadores, incluido Etienne Ducrot, un ex postdoctorado en NYU Tandon, ahora en el Centre de Recherche Paul Pascal - CNRS , Pessac, Francia y Gi-Ra Yi de la Universidad de Sungkyunkwan, Suwon, Corea del Sur, descubrió que podían utilizar un mecanismo de bloqueo estérico que produciría espontáneamente los enlaces escalonados necesarios para hacer posible esta estructura. Cuando estos coloides piramidales se acercaron, se enlazaron en la orientación necesaria para generar una formación de diamante. En lugar de pasar por el proceso laborioso y costoso de construir estas estructuras mediante el uso de nanomáquinas, este mecanismo permite que los coloides se estructuran por sí mismos sin la necesidad de interferencia externa. Además, las estructuras de diamante son estables, incluso cuando se elimina el líquido en el que se forman.
El descubrimiento se hizo porque él, un estudiante de posgrado en la Universidad de Nueva York Tandon en ese momento, notó una característica inusual de los coloides que estaba sintetizando en una formación piramidal. Él y sus colegas describieron todas las formas en que estas estructuras podrían vincularse. Cuando se encontraron con una estructura interconectada particular, se dieron cuenta de que habían encontrado el método adecuado. “Después de crear todos estos modelos, vimos inmediatamente que habíamos creado diamantes”, dijo He.
"La ansiada demostración del Dr. Pine de los primeros diamantes coloidales autoensamblados abrirá nuevas oportunidades de investigación y desarrollo para importantes tecnologías del Departamento de Defensa que podrían beneficiarse de los cristales fotónicos 3D ”, dijo el Dr. Evan Runnerstrom, gerente de programa de la Oficina de Investigación del Ejército (ARO). ), un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.
Explicó que los posibles avances futuros incluyen aplicaciones para láseres de alta eficiencia con demandas de energía y peso reducidas para sensores de precisión y sistemas de energía dirigida; y control preciso de la luz para circuitos fotónicos integrados 3D o gestión de firmas ópticas.
“Estoy encantado con este resultado porque ilustra maravillosamente un objetivo central del Programa de Diseño de Materiales de ARO: respaldar la investigación de alto riesgo y alta recompensa que desbloquea rutas ascendentes para crear materiales extraordinarios que antes eran imposibles de fabricar”.
El equipo, que también incluye a John Gales, un estudiante de posgrado en física en la NYU, y Zhe Gong, un posdoctorado en la Universidad de Pensilvania, que anteriormente fue estudiante de posgrado en química en la NYU, ahora están enfocados en ver cómo se pueden usar estos diamantes coloidales en un entorno práctico. Ya están creando materiales utilizando sus nuevas estructuras que pueden filtrar longitudes de onda ópticas para demostrar su utilidad en tecnologías futuras.
Fuente: NY University