Cuando John Crocker, un profesor de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania era un estudiante de posgrado, su asesor reunió a todos en su laboratorio para "lanzar el guante" en un nuevo desafío en el campo.

Alguien había predicho que si se podían hacer crecer cristales coloidales que tuvieran la misma estructura que los átomos de carbono en una estructura de diamante, tendría propiedades ópticas especiales que podrían revolucionar la fotónica. En este material, llamado material fotónico de banda prohibida, o PBM, la luz actuaría de una forma matemáticamente análoga a cómo se mueven los electrones en un semiconductor.

"La implicación tecnológica es que tales materiales permitirían la construcción de 'transistores' para la luz, la capacidad de atrapar la luz en ubicaciones específicas y construir microcircuitos para la luz y LED y láseres más eficientes, "Dijo Crocker.

En el momento, Crocker decidió seguir sus propios proyectos, dejando la búsqueda de PBM a otros.

Veinte años después, El propio estudiante graduado de Crocker, Yifan Wang, produjo esta esquiva estructura de diamante mientras trabajaba en un problema diferente, casualmente. Esto los encaminó hacia el logro de PBM, el "santo grial del autoensamblaje de partículas dirigidas, "Dijo Crocker.

"Es una historia clásica de serendipia en el descubrimiento científico. No puedes anticipar estas cosas. A veces tienes suerte y sale algo asombroso".

La investigación fue dirigida por Crocker, Wang, el profesor Talid Sinno de SEAS y el estudiante de posgrado Ian Jenkins. Los resultados han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

Para ser un PBM, un material debe tener una estructura cristalina no en la escala de los átomos sino en la escala de la longitud de onda de la luz.

"En otras palabras, "Crocker dijo, "es necesario esculpir u organizar algún material transparente en una serie de esferas con una simetría particular, y las esferas o agujeros deben tener un tamaño de cientos de nanómetros ".

En la década de 1990, Crocker dijo:Los científicos creían que habría muchas formas diferentes de organizar las esferas y hacer crecer la estructura necesaria utilizando cristales coloides similares a cómo se cultivan los cristales de semiconductores:esferas coloidales que se organizan espontáneamente en diferentes redes cristalinas.

Los ópalos son un ejemplo natural de esto. Se forman cuando la sílice del agua subterránea forma esferas microscópicas, que cristalizan bajo tierra y luego se fosilizan en sólidos.

Aunque los ópalos no tienen la simetría adecuada para ser PBM, su apariencia iridiscente se debe a que su estructura cristalina periódica se encuentra en escalas comparables a la longitud de onda de la luz.

Para formar un PBM, el objetivo principal es organizar esferas microscópicas transparentes en un patrón tridimensional que imita la disposición atómica de los átomos de carbono en una red de diamante. Esta estructura, a diferencia de otros cristales, carece de ciertas direcciones de simetría de otros cristales donde la luz puede comportarse normalmente, permitiendo que la estructura de diamante mantenga el efecto PBM.

Los científicos asumieron que podrían hacer ópalos sintéticos con diferentes estructuras utilizando diferentes materiales para producir PBM. Pero esto resultó más difícil de lo que habían pensado y, 20 años después, todavía no se ha logrado.

Para finalmente crear estas celosías de diamantes, los investigadores de Penn utilizaron microesferas cubiertas de ADN en dos tamaños ligeramente diferentes.

"Estos forman cristales coloidales espontáneamente cuando se incuban a la temperatura correcta, debido a que el ADN forma puentes entre las partículas, "Dijo Crocker." Bajo ciertas condiciones, los cristales tienen una estructura de doble diamante, dos celosías de diamantes que se interpenetran, cada uno compuesto por un tamaño o 'sabor' de partícula ".

Luego reticularon estos cristales juntos en un sólido.

Crocker describe el logro como buena suerte. Los investigadores no se habían propuesto crear esta estructura de diamante. Habían estado haciendo un experimento de "mezclar y rezar":Wang estaba ajustando cinco variables materiales para explorar el espacio de parámetros. Hasta la fecha, esto ha producido 11 cristales diferentes, uno de los cuales fue la sorprendente estructura de doble diamante.

"A menudo, cuando sucede algo inesperado, abre una puerta a un nuevo enfoque tecnológico, "Sinno dijo." Podría haber una nueva física en contraposición a la polvorienta y vieja física de los libros de texto ".

Ahora que han superado un obstáculo importante en el camino hacia la creación de PBM, los investigadores necesitan descubrir cómo cambiar los materiales por partículas de alto índice y disolver selectivamente una especie para dejarlas con una red de diamante autoensamblada de microesferas coloidales.

Si puede producir con éxito un PBM, el material sería como un "semiconductor de luz, "que tienen propiedades ópticas inusuales que no existen en ningún material natural. Los materiales transparentes normales tienen un índice de refracción entre 1.3 y 2.5. Estos PBM podrían tener un índice de refracción muy alto, o incluso un índice de refracción negativo que refracta la luz al revés.

Tales materiales podrían usarse para hacer lentes, cámaras y microscopios con mejor rendimiento, o posiblemente incluso "capas de invisibilidad, "objetos sólidos que redirigirían todos los rayos de luz alrededor de un compartimento central, haciendo que los objetos allí sean invisibles.

Aunque los investigadores han podido reproducir esto experimentalmente más de una docena de veces, Sinno y Jenkins no han podido reproducir los hallazgos en simulación. Es la única estructura de los 11 cristales que Wang produjo que no han podido replicar en la simulación.

"Esta es la única estructura que hemos encontrado hasta ahora que no podemos explicar, lo que probablemente no esté relacionado con el hecho de que nadie predijo que se podría formar con este sistema". "Sinno dijo." Hay varios otros artículos que hemos tenido en el pasado que realmente muestran cuán poderosos son nuestros enfoques para explicar todo. En cierto sentido, el hecho de que nada de esto funcionó agrega evidencia de que algo fundamentalmente diferente está sucediendo aquí ".

Los investigadores piensan actualmente que una El cristal desconocido crece y luego se transforma en cristales de doble diamante, pero esta idea ha resultado difícil de confirmar.

"Estás acostumbrado a escribir artículos cuando entiendes algo, "Crocker dijo." Así que teníamos un dilema. Normalmente, cuando encontramos algo, lo masticamos por un tiempo, hacemos simulaciones y luego, cuando todo tiene sentido, lo escribimos. En este caso, tuvimos que verificar todo tres veces y luego hacer una llamada de juicio para decir que este es un descubrimiento emocionante y que otras personas más allá de nosotros también pueden trabajar en esto y pensar y ayudarnos a tratar de resolver este misterio ".