A la izquierda hay micrografías de supercristales de nanocristales poliderales de plata y a la derecha los diagramas correspondientes de sus empaquetaduras más densas conocidas para cubos (de arriba hacia abajo), cubos truncados y cuboctaedros. Crédito:Imagen cortesía de Berkeley Lab
La pregunta de cuántos nanocristales poliédricos de plata se pueden empaquetar en supercristales de tamaño milimétrico puede no estar ardiendo en muchos labios, pero la respuesta es importante para uno de los nuevos campos de alta tecnología más candentes de la actualidad:¡la plasmónica! Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del DOE pueden haber abierto la puerta a un enfoque más simple para la fabricación de materiales plasmónicos al inducir nanocristales de plata con forma poliédrica a autoensamblarse en supercristales tridimensionales de la mayor densidad posible.
La plasmónica es el fenómeno por el cual un rayo de luz se confina en espacios ultra-reducidos, lo que permite manipularlo para hacer cosas que un rayo de luz en un espacio abierto no puede. Este fenómeno es muy prometedor para las computadoras ultrarrápidas, microscopios que pueden ver objetos a nanoescala con luz visible, e incluso la creación de alfombras invisibles. Un gran desafío para el desarrollo de la tecnología plasmónica, sin embargo, es la dificultad de fabricar metamateriales con interfaces de tamaño nanométrico entre metales nobles y dieléctricos.
Peidong Yang, químico de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, dirigió un estudio en el que nanocristales de plata de una variedad de formas poliédricas se autoensamblaban en exóticas superestructuras milimétricas a través de una técnica de sedimentación simple basada en la gravedad. Esta primera demostración de la formación de supercristales de plata a gran escala mediante la sedimentación se describe en un artículo de la revista. Materiales de la naturaleza titulado "Autoensamblaje de nanocristales de plata poliédricos uniformes en empaquetaduras más densas y superredes exóticas". Yang, quien también tiene nombramientos en el Departamento de Química y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California Berkeley, es el autor correspondiente.
"Hemos demostrado a través de experimentos y simulación por computadora que un rango de Los cristales poliédricos de plata a nanoescala pueden autoensamblarse en estructuras que se han calculado para ser los empaques más densos de estas formas, "Yang dice". Además, en el caso de los octaedros, demostramos que el control de la concentración de polímero nos permite sintonizar entre una estructura de empaquetamiento de celosía bien conocida y una estructura de empaquetamiento novedosa que presenta complejos motivos helicoidales ".
Representación esquemática de formas poliédricas accesibles mediante la síntesis de poliol de plata desarrollada por Peidong Yang, et. Alabama. Crédito:Imagen cortesía de Berkeley Lab
En el Materiales de la naturaleza El artículo Yang y sus coautores describen una técnica de síntesis de poliol que se utilizó para generar nanocristales de plata en varias formas, incluyendo cubos, cubos truncados, cuboctaedro, octaedros y octaedros truncados en un rango de tamaños de 100 a 300 nanómetros. Estos nanocristales poliédricos uniformes se colocaron luego en una solución donde se ensamblaron en supercristales densos de unos 25 milímetros cuadrados de tamaño mediante sedimentación gravitacional. Si bien el proceso de ensamblaje podría realizarse en solución a granel, el hecho de que el ensamblaje tuviera lugar en los depósitos de canales de microarrays proporcionó a Yang y sus colaboradores un control preciso de las dimensiones de la superrejilla.
"En un experimento típico, Se cargó una solución diluida de nanopartículas en un depósito que luego se inclinó, haciendo que las partículas se sedimenten y se acumulen gradualmente en el fondo del depósito, " Yang says. "More concentrated solutions or higher angles of tilt caused the assemblies to form more quickly."
The assemblies generated by this sedimentation procedure exhibited both translational and rotational order over exceptional length scales. In the cases of cubes, truncated octahedra and octahedra, the structures of the dense supercrystals corresponded precisely to their densest lattice packings. Although sedimentation-driven assembly is not new, Yang says this is the first time the technique has been used to make large-scale assemblies of highly uniform polyhedral particles.
"The key factor in our experiments is particle shape, a feature we have found easier to control, " Yang says. "When compared with crystal structures of spherical particles, our dense packings of polyhedra are characterized by higher packing fractions, larger interfaces between particles, and different geometries of voids and gaps, which will determine the electrical and optical properties of these materials."
The silver nanocrystals used by Yang and his colleagues are excellent plasmonic materials for surface-enhanced applications. Packing the nanocrystals into three-dimensional supercrystals allows them to be used as metamaterials with the unique optical properties that make plasmonic technology so intriguing.
"Our self-assembly process for these silver polyhedral nanocrystals may give us access to a wide range of interesting, scalable nanostructured materials with dimensions that are comparable to those of bulk materials, " Yang says.
