Un nuevo proceso de fabricación de nanopartículas metálicas helicoidales proporciona una forma más sencilla y económica de producir rápidamente un material esencial para dispositivos biomédicos y ópticos, según un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Michigan.
"Uno de nuestros motivadores es simplificar drásticamente la fabricación de materiales complejos que representan cuellos de botella en muchas tecnologías actuales", dijo Nicholas Kotov, profesor distinguido de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Irving Langmuir en la UM y coautor correspondiente del estudio, publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Las superficies quirales, lo que significa que la superficie carece de simetría especular (por ejemplo, una mano izquierda y una derecha), que tienen la capacidad de desviar la luz a nanoescala tienen una gran demanda. El nuevo estudio demuestra una forma de fabricarlos mediante la impresión 3D de "bosques" de hélices a nanoescala. La alineación de los ejes de las hélices con un haz de luz crea una fuerte rotación óptica, lo que permite aprovechar la quiralidad en las tecnologías de la salud y la información, en las que la quiralidad es común.
Las superficies quirales de metales plasmónicos son aún más deseables porque pueden producir una gran familia de biodetectores muy sensibles. Por ejemplo, pueden detectar biomoléculas específicas (producidas por bacterias peligrosas resistentes a medicamentos, proteínas mutadas o ADN) que pueden ayudar al desarrollo de terapias dirigidas. Estos materiales también ofrecen potencial para avanzar en las tecnologías de la información, creando mayores capacidades de almacenamiento de datos y velocidades de procesamiento más rápidas al aprovechar la interacción de la luz con los sistemas electrónicos (es decir, cables de fibra óptica).
Aunque estas superficies especiales estructuradas en 3D a partir de hélices verticales son muy necesarias, los métodos tradicionales para fabricarlas son complejos, costosos y generan muchos residuos.
Por lo general, estos materiales se fabrican utilizando hardware altamente especializado, como la litografía 3D de dos fotones o la deposición inducida por haces de iones/electrones, que solo están disponibles en unas pocas instalaciones de alta gama. Aunque son precisos, estos métodos implican un procesamiento de varios pasos que requiere mucho tiempo en condiciones de baja presión o alta temperatura.
Se ha sugerido la impresión 3D como alternativa, pero las tecnologías de impresión 3D existentes no permiten una resolución a nanoescala. Como solución, el equipo de investigación de la UM desarrolló un método que utiliza haces de luz helicoidales para producir hélices a nanoescala con inclinación y dirección específicas.
"Se pueden producir superficies plasmónicas quirales a escala centimétrica en cuestión de minutos utilizando láseres económicos de potencia media. Fue sorprendente ver lo rápido que crecen estos bosques helicoidales", afirmó Kotov.
La impresión 3D de estructuras helicoidales mediante luz helicoidal se basa en la transferencia quiral de luz a materia descubierta en la UM hace unos 10 años.
La impresión de escritura directa, sin máscara y en un solo paso a partir de soluciones acuosas de sal de plata proporciona una alternativa a la nanolitografía al tiempo que avanza la fabricación aditiva en 3D. La simplicidad del procesamiento, la alta rotación de polarización y la fina resolución espacial de la impresión de hélices de metal impulsadas por la luz acelerarán en gran medida la preparación de una arquitectura compleja a nanoescala para la próxima generación de chips ópticos.
Más información: Ji-Young Kim et al, Impresión 3D de escritura directa de nanohelicoides plasmónicos mediante luz polarizada circularmente, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2312082121
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Michigan
