(Phys.org) —A medida que la biotecnología y la nanotecnología continúan fusionándose, Los métodos programables por ADN han surgido como una forma de proporcionar un control sin precedentes sobre el ensamblaje de nanopartículas en estructuras complejas. incluyendo estructuras periódicas personalizables conocidas como superredes que permiten ajustar la interacción entre la luz y las colecciones de partículas altamente organizadas. Históricamente, las estructuras de celosía han sido bidimensionales porque fabricar celosías de ADN tridimensionales ha sido demasiado difícil, mientras que los cristales fotónicos dieléctricos tridimensionales tienen interacciones luz-materia mejoradas bien establecidas. Sin embargo, La escasez de medios sintéticos para crear cristales plasmónicos (los que explotan los plasmones superficiales producidos por la interacción de la luz con materiales dieléctricos metálicos) basados ​​en matrices de nanopartículas ha impedido que se estudien experimentalmente. Al mismo tiempo, Se ha sugerido que los cristales fotónicos polaritónicos (PPC), contrapartes plasmónicas de los cristales fotónicos, pueden prohibir la propagación de la luz y abrir una brecha de banda fotónica (también conocida como brecha de polaritón) mediante un fuerte acoplamiento entre los plasmones de superficie y los modos fotónicos si el cristal está en un régimen de tamaño de sublongitud de onda profunda. ( Polaritones son cuasipartículas resultantes de un fuerte acoplamiento de ondas electromagnéticas con una excitación portadora de dipolos eléctricos o magnéticos).

Con ese fin, Los científicos de la Universidad Northwestern informaron recientemente sobre fuertes interacciones de plasmón de luz dentro de cristales fotónicos plasmónicos 3D que tienen constantes de celosía y diámetros de nanopartículas que se pueden controlar de forma independiente en el régimen de tamaño de sublongitud de onda profunda mediante el uso de una técnica de ensamblaje programable por ADN, los primeros dispositivos preparados por ADN. cristalización coloidal guiada. Los investigadores han demostrado que pueden sintonizar la interacción entre la luz y los modos electrónicos colectivos de las nanopartículas de oro ajustando de forma independiente las constantes de celosía y los diámetros de las nanopartículas de oro. agregando que sus resultados en la sintonización de interacciones entre la luz y las colecciones de partículas a nanoescala altamente organizadas sugieren la posibilidad de aplicaciones que incluyan láseres, electrodinámica cuántica y biosensores.

El profesor George C. Schatz discutió el documento que él, Prof. Chad A. Mirkin, El autor principal Daniel J. Park y sus coautores publicaron en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias abordando primero los principales desafíos que los científicos encontraron al sintonizar la interacción entre la luz y los modos electrónicos colectivos de las nanopartículas de oro mediante el ajuste independiente de las constantes de celosía y los diámetros de las nanopartículas de oro. "La longitud de onda asociada con los modos de resonancia fotónica", como las interacciones de Fabry-Pérot que ocurren con los interferómetros del mismo nombre, "se define por una condición de interferencia que depende de la geometría de la microestructura, así como sobre el índice de refracción efectivo del material en la microestructura, "Schatz dice Phys.org . "Al mismo tiempo, la longitud de onda de las resonancias de plasmón en una nanopartícula de oro está determinada por la excitación colectiva de electrones en la partícula y depende del tamaño y la forma de la nanopartícula, así como del índice de refracción del oro ". Los investigadores abordaron esto fabricando materiales de superrejilla que permiten un ajuste independiente estas dos longitudes de onda, y por tanto estudiar las interacciones entre los modos de resonancia. Es más, él añade, Los investigadores encontraron una gama de parámetros de superredes y nanopartículas donde los modos fotónicos se podían observar tanto a continuación y por encima de la energía del plasmón, es decir, su longitud de onda de resonancia, lo que les permite observar una banda prohibida que indica un fuerte acoplamiento entre los modos.

Un segundo aspecto clave de su investigación fue el uso de la cristalización coloidal guiada por ADN para controlar de forma independiente las fuertes interacciones de luz-plasmón dentro de cristales fotónicos plasmónicos 3D que tienen constantes de celosía y diámetros de nanopartículas. así como sintetizar PPC plasmónicos (cristales fotónicos polaritónicos) a partir de nanopartículas de oro. "Antes de nuestro artículo y trabajo publicado el año pasado ¹ por nuestros colegas de Northwestern en el grupo del Prof. Mirkin, el método de cristalización guiado por ADN se había desarrollado para fabricar materiales de superrejilla con tamaño de partícula de oro variable y espaciado de celosía, "Schatz explica.

"Sin embargo, " él continúa, "los materiales eran policristalinos, y por lo tanto no exhibió modos fotónicos bien definidos que puedan permitir sondear la interacción entre la luz y los plasmones de superficie. Un avance clave fue el descubrimiento ¹ de un método para hacer monocristales de superrejilla con un hábito cristalino bien definido, es decir, una forma rombododecaédrica y un tamaño variable del orden de unas pocas micras ". todavía no estaba claro si habría modos ópticos de calidad lo suficientemente alta para que las resonancias de Fabry-Pérot fueran observadas y sintonizadas a través de la resonancia del plasmón. "Se necesitaron varios meses para probar y confirmar teórica y experimentalmente la presencia de resonancias de Fabry-Pérot, "Añade Schatz.

Schatz y sus colegas abordaron estos desafíos mediante el uso de medidas de retrodispersión:el reflejo de las ondas, partículas o señales de regreso a la dirección de la fuente - para sondear los modos Fabry-Pérot. "Aunque las mediciones de retrodispersión se han utilizado en otros contextos, esta fue la primera aplicación de esta tecnología a los cristales de superrejilla de ADN, y no nos quedó claro de inmediato que se pudieran observar resonancias de Fabry-Pérot para este hábito cristalino y elección de material, "Schatz señala. Sin embargo, como se detalla en su artículo actual, los científicos desarrollaron un modelo teórico realista de este experimento que predijo la existencia de modos Fabry-Pérot y la posibilidad de observarlos mediante retrodispersión mientras se realizaban los experimentos. "Esto nos estimuló a hacer los experimentos y a perseverar en este trabajo a pesar de que los primeros resultados fueron de mala calidad. Además, utilizamos el modelo computacional para orientar la optimización del experimento, incluido el trabajo en el que recubrimos PPC con plata ".

En su papel los investigadores discutieron más estudios fotónicos y posibles aplicaciones en láseres, electrodinámica cuántica de cavidades, óptica cuántica, dinámica cuántica de muchos cuerpos, biosensores y otras áreas sugeridas por el ajuste de interacciones luz-plasmón a nanoescala. "Trabajos anteriores han observado el comportamiento de la electrodinámica cuántica en cavidades ópticas dieléctricas, incluida la fluorescencia mejorada y suprimida de los emisores en estas cavidades. Los presentes experimentos sugieren que este tipo de medición puede extenderse a cavidades donde ocurren modos híbridos plasmónicos / fotónicos ". Él enfatiza que si bien los fenómenos de electrodinámica cuántica a través de modos híbridos plasmónicos / fotónicos 2D ya se han observado durante los últimos años, su sistema abre una oportunidad única para utilizar modos de cristal 3D que contienen propiedades plasmónicas. "Como posible aplicación, Dado que se han observado láseres mejorados con plasmón con redes 2D, la observación exitosa de modos híbridos fotónico-plasmónicos en 3D sugiere que tales láseres pueden prepararse para celosías en 3D ".

Otro hallazgo interesante es la capacidad de sintonización de las interconexiones de ADN y la fracción de volumen correspondiente de los elementos plasmónicos. "La sintonización de las interconexiones de ADN proporciona la capacidad de cambiar la constante de la red, "Schatz explica, "y con un cierto tamaño de nanopartícula, variando la constante de celosía podemos ajustar el volumen de oro ".

Cuando se les preguntó si sus hallazgos podrían interactuar o contribuir a los desarrollos en biología sintética y genómica sintética, así como la acelerada integración de la biotecnología y la nanotecnología en la medicina traslacional, Schatz pointed out that DNA provides a synthetic 'hook' that can be connected to synthetic biology. "We can therefore envision using the genetic programmability of DNA as input to the synthesis of fluorescent proteins in precise locations, " adding that the medical applications of DNA-programmed superlattice materials are only at the concept stage. "From earlier work in the Mirkin group, we know how to use gold nanoparticles coated with DNA in medical diagnostics and therapeutics, so one can imagine future applications where these applications are extended to superlattices. A key point is that the superlattices provide a systematic tool for building structures that combine together inorganic components, such as metal or semiconductor nanoparticles with biomolecules."

Avanzando Schatz says, the researchers need to generalize the menu of superlattice crystals. "The micron-scale crystal habits exhibit other photonic modes – that is, functionalities – such as whispering gallery resonance and light focusing. Además, other nanoparticle components such as silver nanoparticles and quantum dots can be incorporated into superlattices." This means that the scientists can play with a large number of photonic/electronic degrees of freedom within the framework of a DNA superlattice. "Therefore, we need to establish a well-defined set of photonic applications and studies utilizing and combining those physical degrees of freedom – and theory will play an important role in this process."

In terms of additional innovations, Schatz tells Phys.org that "now that we know that plasmon-photonic interactions can exhibit strong coupling, we need to expand this research, probably with different nanoparticles and with different types of photonic resonances. Por ejemplo, we can incorporate anisotropic nanoparticles that exhibit more interesting plasmonic response to polarization of light – and utilizing other available photonic modes that exhibit light focusing features, we can think about developing optical components such as a plasmonic microlens. Finalmente, synthesizing quantum dot nanoparticle superlattices, we can perform fundamental physics studies related to the collective exciton emission."

Schatz concludes that other areas of research might also benefit from their study. "We're excited about the possibility of using superlattice materials not just in photonics, but also in energy-related applications, including photovoltaics, photocatalysis, and batteries."

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