Imagínese crear dispositivos novedosos con propiedades ópticas asombrosas y exóticas que no se encuentran en la naturaleza, simplemente evaporando una gota de partículas en una superficie.

Al construir químicamente grupos de nanoesferas a partir de un líquido, un equipo de investigadores de Harvard, en colaboración con científicos de la Universidad Rice, la Universidad de Texas en Austin, y la Universidad de Houston, ha desarrollado precisamente eso.

El hallazgo, publicado en la edición del 28 de mayo de Ciencias , demuestra dispositivos simples escalables que exhiben propiedades ópticas personalizables adecuadas para aplicaciones que van desde sensores y detectores altamente sensibles hasta capas de invisibilidad. Utilizando partículas formadas por carcasas concéntricas metálicas y aislantes, Jonathan Fan, estudiante de posgrado en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS), su coautor principal, Federico Capasso, Robert L. Wallace Profesor de Física Aplicada y Vinton Hayes Investigador Senior en Ingeniería Eléctrica en SEAS, y Vinothan Manoharan, Profesor asociado de Ingeniería Química y Física en SEAS y el Departamento de Física de Harvard, ideó un bottom-up, enfoque de autoensamblaje para enfrentar el desafío del diseño.

"Un desafío de larga data en la ingeniería óptica ha sido encontrar formas de hacer estructuras de tamaño mucho más pequeño que la longitud de onda que exhiben propiedades deseadas e interesantes, "dice Fan". En frecuencias visibles, estas estructuras deben ser a nanoescala ".

A diferencia de, la mayoría de los dispositivos a nanoescala se fabrican utilizando enfoques de arriba hacia abajo, similar a cómo se fabrican los chips de computadora. Los tamaños más pequeños que pueden realizarse mediante tales técnicas están severamente restringidos por los límites intrínsecos del proceso de fabricación. como la longitud de onda de la luz utilizada en el proceso. Es más, tales métodos están restringidos a geometrías planas, son caros, y requieren una infraestructura intensa, como salas blancas.

"Con nuestro enfoque de abajo hacia arriba, imitamos la forma en que la naturaleza crea estructuras innovadoras, que exhiben propiedades extremadamente útiles, "explica Capasso." Nuestros nanoclusters se comportan como pequeños circuitos ópticos y podrían ser la base de nuevas tecnologías como detectores de moléculas individuales, sondas eficientes y biológicamente compatibles en la terapéutica del cáncer, y pinzas ópticas para manipular y clasificar nanopartículas. Es más, el proceso de fabricación es mucho más sencillo y económico de realizar ".

El método de autoensamblaje del investigador no requiere más que un poco de mezcla y secado. Para formar los racimos, las partículas se recubren primero con un polímero, y luego se evapora una gota de ellos sobre una superficie repelente al agua. En el proceso de evaporación, las partículas se agrupan en pequeños grupos. Usando espaciadores de polímero para separar las nanopartículas, los investigadores pudieron lograr de manera controlable una brecha de dos nanómetros entre las partículas, una resolución mucho mejor que la que permiten los métodos tradicionales de arriba hacia abajo.

Dos tipos de circuitos ópticos resultantes son de considerable interés. Un trimer que comprende tres partículas igualmente espaciadas, puede soportar una respuesta magnética, una propiedad esencial de las capas de invisibilidad y los materiales que exhiben un índice de refracción negativo.

"En esencia, el trímero actúa como un resonador a nanoescala que puede soportar un bucle circulante de corriente en las frecuencias visible e infrarroja cercana, "dice Fan." Esta estructura funciona como un imán a nanoescala en frecuencias ópticas, algo que los materiales naturales no pueden hacer ".

Heptámeros, o empaquetadas siete estructuras de partículas, casi no presentan dispersión para una gama estrecha de colores o longitudes de onda bien definidos cuando se iluminan con luz blanca. Estas caídas agudas conocidas como resonancias Fano, surgen de la interferencia de dos modos de oscilaciones de electrones, un modo "brillante" y un modo "oscuro" no ópticamente activo, en la nanopartícula.

"Los heptameros son muy eficientes para crear campos eléctricos extremadamente intensos localizados en regiones de tamaño nanométrico donde las moléculas y partículas a nanoescala pueden quedar atrapadas, manipulado y detectado. La detección molecular se basaría en la detección de cambios en las caídas de los espectros estrechos, "dice Capasso.

Por último, Todos los diseños de circuitos autoensamblados se pueden ajustar fácilmente variando la geometría, cómo se separan las partículas, y el medio ambiente químico. En breve, el nuevo método permite un "kit de herramientas" para manipular "moléculas artificiales" de tal manera que se creen propiedades ópticas a voluntad, una característica que esperan los investigadores es ampliamente generalizable a una serie de otras características.

Mirando hacia el futuro, los investigadores planean trabajar para lograr mayores rendimientos de racimos y esperan ensamblar estructuras tridimensionales a macroescala, un "santo grial" de la ciencia de los materiales.

"Estamos entusiasmados con la escalabilidad potencial del método, "dice Manoharan." Las esferas son las formas más fáciles de ensamblar, ya que se pueden empaquetar juntas fácilmente. Si bien aquí solo demostramos grupos de partículas planas, nuestro método se puede extender a estructuras tridimensionales, algo que un enfoque de arriba hacia abajo tendría dificultades para hacer ".