La superrejilla está formada por dos subredes que se interpenetran, un diamante se muestra en verde, y el otro pirocloro, se muestra en rojo. Los racimos tetraédricos rojos preformados y las esferas verdes se autoensamblan en una superrejilla de MgCu2. Crédito:Escuela de Ingeniería NYU Tandon
Partículas coloidales, utilizado en una variedad de aplicaciones técnicas que incluyen alimentos, tintas pinturas y cosmética, puede autoensamblarse en una notable variedad de estructuras cristalinas densamente empaquetadas. Por décadas, aunque, Los investigadores han estado tratando de convencer a las esferas coloidales para que se organicen en celosías mucho menos pobladas con el fin de liberar propiedades ópticas potencialmente valiosas. Estas estructuras, llamados cristales fotónicos, podría aumentar la eficiencia de los láseres, miniaturizar aún más los componentes ópticos, y aumentar enormemente la capacidad de los ingenieros para controlar el flujo de luz.
Un equipo de ingenieros y científicos del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York, el Centro de Investigación de Materias Blandas de la NYU, y la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Sungkyunkwan en la República de Corea informan que han encontrado un camino hacia el autoensamblaje de estas esquivas estructuras de cristal fotónico nunca antes ensambladas en la escala submicrométrica (un micrómetro es aproximadamente 100 veces más pequeño que el diámetro de un mechón de cabello humano).
La investigación, que aparece en la revista Materiales de la naturaleza , introduce un nuevo principio de diseño basado en componentes preensamblados de la superestructura deseada, tanto como una casa prefabricada comienza como una colección de secciones prefabricadas. Los investigadores informan que pudieron ensamblar las esferas coloidales en estructuras de cristal de diamante y pirocloro, un desafío particularmente difícil porque queda mucho espacio desocupado.
El equipo, compuesto por Etienne Ducrot, investigador postdoctoral en el Centro de Investigación de Materias Blandas de la NYU; Mingxin él, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular en NYU Tandon; Gi-Ra Yi de la Universidad de Sungkyunkwan; y David J. Pine, presidente del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York y profesor de física de la Universidad de Nueva York en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Nueva York, se inspiró en una aleación de metal de magnesio y cobre que se encuentra naturalmente en estructuras de diamante y pirocloro como sub-redes. Vieron que estas estructuras complejas podrían descomponerse en esferas individuales y grupos tetraédricos (cuatro esferas unidas permanentemente). Para darse cuenta de esto en el laboratorio, prepararon racimos y esferas coloidales de plástico submicrónico, y empleó segmentos de ADN unidos a su superficie para dirigir el autoensamblaje hacia la superestructura deseada.
Autoensamblaje de racimos tetraédricos preformados en superrejilla. Crédito:Escuela de Ingeniería NYU Tandon
"Podemos construir esas estructuras complejas porque no comenzamos con esferas individuales como bloques de construcción, pero con piezas preensambladas ya 'pegadas' juntas, ", Dijo Ducrot." Rellenamos los vacíos estructurales de la red de diamantes con una estructura interpenetrada, el pirocloro, que resulta ser tan valioso como la red de diamantes para futuras aplicaciones fotónicas ".
Ducrot dijo cristales coloidales abiertos, como aquellos con configuraciones de diamante y pirocloro, son deseables porque, cuando está compuesto del material adecuado, pueden poseer espacios de banda fotónica (rangos de frecuencia de la luz que no pueden propagarse a través de la estructura), lo que significa que podrían ser para la luz lo que los semiconductores son para los electrones.
"Esta historia se ha estado gestando durante mucho tiempo, ya que esas propiedades del material se predijeron hace 26 años, pero hasta ahora, no había un camino práctico para construirlos, ", dijo." Para lograr una banda prohibida en la parte visible del espectro electromagnético, las partículas deben ser del orden de 150 nanómetros, que está en el rango coloidal. En tal material, la luz debe viajar sin disipación a lo largo de un defecto, haciendo posible la construcción de chips basados en la luz ".
Pine dijo que la tecnología de autoensamblaje es fundamental para que la producción de estos cristales sea económicamente viable porque crear cantidades masivas de cristales con técnicas de litografía a la escala correcta sería extremadamente costoso y muy desafiante.
"El autoensamblaje es, por lo tanto, una forma muy atractiva de crear cristales de forma económica con una banda prohibida fotónica en grandes cantidades, "Dijo Pine.
