När John Crocker, en professor i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science var en doktorand, hans rådgivare samlade alla i sitt labb för att "slänga handsket" på en ny utmaning på fältet.

Någon hade förutspått att om man kunde odla kolloidala kristaller som hade samma struktur som kolatomer i en diamantstruktur, den skulle ha speciella optiska egenskaper som kan revolutionera fotoniken. I detta material, kallas ett fotoniskt bandgapmaterial, eller PBM, ljus skulle verka matematiskt analogt med hur elektroner rör sig i en halvledare.

"Den tekniska implikationen är att sådana material möjliggör konstruktion av" transistorer "för ljus, förmågan att fånga ljus på specifika platser och bygga mikrokretsar för lätta och effektivare lysdioder och lasrar, " sa Crocker.

Just då, Crocker bestämde sig för att driva sina egna projekt, lämnar jakten på PBM till andra.

Tjugo år senare, Crockers egen doktorand Yifan Wang producerade denna svårfångade diamantstruktur medan han arbetade med ett annat problem, serendipitöst. Detta satte dem på vägen till att uppnå PBM, den "heliga gralen av riktad partikelsjälvmontering, Sa Crocker.

"Det är en klassisk berättelse om serendipity i vetenskapliga upptäckter. Man kan inte förutse dessa saker. Man har bara tur ibland och något fantastiskt kommer ut."

Forskningen leds av Crocker, Wang, professor Talid Sinno från SEAS och doktorand Ian Jenkins. Resultaten har publicerats i Naturkommunikation .

För att vara en PBM, ett material måste ha en kristallliknande struktur inte på atoms skala utan på längden på ljusvåglängden.

"Med andra ord, "Crocker sa, "du måste skulptera eller ordna lite transparent material i en rad sfärer med en särskild symmetri, och sfärerna eller hålen måste vara hundratals nanometer stora. "

På 1990 -talet, Crocker sa, forskare trodde att det skulle finnas många olika möjliga sätt att ordna sfärerna och odla den nödvändiga strukturen med hjälp av kolloida kristaller som liknar hur kristaller av halvledare odlas:kolloidala sfärer arrangerar sig spontant i olika kristallgitter.

Opaler är ett naturligt exempel på detta. De bildas när kiseldioxid i grundvatten bildar mikroskopiska sfärer, som kristalliseras under jorden och sedan blir fossiliserade i fasta ämnen.

Även om opaler inte har rätt symmetri för att vara PBM, deras iriserande utseende beror på att deras periodiska kristallstruktur är på skalor jämförbara med ljusets våglängd.

För att bilda en PBM, huvudmålet är att arrangera transparenta mikroskopiska sfärer i ett 3D-mönster som efterliknar atomarrangemanget av kolatomer i ett diamantgitter. Denna struktur, till skillnad från andra kristaller, saknar vissa symmetririktningar för andra kristaller där ljus kan bete sig normalt, tillåter diamantstrukturen att bibehålla PBM-effekten.

Forskare antog att de skulle kunna göra syntetiska opaler med olika strukturer med hjälp av olika material för att producera PBM. Men detta visade sig svårare än de hade trott och, 20 år senare, det har fortfarande inte uppnåtts.

För att äntligen skapa dessa diamantgaller, Penn-forskarna använde DNA-täckta mikrosfärer i två lite olika storlekar.

"Dessa bildar spontant kolloidala kristaller när de inkuberas vid rätt temperatur, på grund av att DNA bildar broar mellan partiklarna, "Crocker sa." Under vissa förhållanden, kristallerna har en dubbel diamantstruktur, två genomträngande diamantgaller, var och en består av en storlek eller "smak" av partikel. "

De tvärbundna sedan samman dessa kristaller till en fast substans.

Crocker beskriver prestationen som lycka till. Forskarna hade inte bestämt sig för att skapa denna diamantstruktur. De hade gjort ett "blanda och be"-experiment:Wang justerade fem materialvariabler för att utforska parameterutrymmet. Hittills, detta har producerat 11 olika kristaller, varav en var den överraskande dubbla diamantstrukturen.

"Ofta när något oväntat händer, det öppnar en dörr till ett nytt tekniskt tillvägagångssätt, "Sinno sa." Det kan finnas ny fysik i motsats till gammal dammig fysik. "

Nu när de har röjt ett betydande hinder på vägen till att skapa PBM, forskarna måste ta reda på hur man byter ut materialen för högindexpartiklar och selektivt löser upp en art för att lämna dem med ett självmonterat diamantgitter av kolloidala mikrosfärer.

Om man framgångsrikt kan producera en PBM, materialet skulle vara som en "halvledare för ljus, "har ovanliga optiska egenskaper som inte finns i några naturmaterial. Normala transparenta material har ett brytningsindex mellan 1,3 och 2,5. Dessa PBM kan ha ett mycket högt brytningsindex, eller till och med ett negativt brytningsindex som bryter ljus bakåt.

Sådana material kan användas för att göra linser, kameror och mikroskop med bättre prestanda, eller möjligen till och med "osynlighetskappor, "fasta föremål som skulle omdirigera alla ljusstrålar runt ett centralt fack, göra objekt där osynliga.

Även om forskarna har kunnat reproducera detta experimentellt mer än ett dussin gånger, Sinno och Jenkins har inte kunnat återskapa resultaten i simulering. Det är den enda strukturen av de 11 kristaller som Wang producerade som de inte har kunnat replikera i simulering.

"Detta är den enda struktur som vi hittat hittills att vi inte kan förklara, vilket förmodligen inte är relaterat till det faktum att ingen förutspådde att du skulle kunna bilda det med det här systemet, "Sinno sa." Det finns flera andra tidningar vi har haft tidigare som verkligen visar hur kraftfulla våra tillvägagångssätt är för att förklara allt. På ett sätt, det faktum att inget av detta fungerade lägger till bevis för att något fundamentalt annorlunda sker här. "

Forskarna tror för närvarande att en annan, okänd kristall växer och förvandlas sedan till de dubbla diamantkristallerna, men denna idé har visat sig vara svår att bekräfta.

"Du är van att skriva papper när du förstår något, "Crocker sa." Så vi hade ett dilemma. Normalt när vi hittar något vi tuggar på det ett tag, vi gör simuleringar och sedan när allt är vettigt skriver vi upp det. I detta fall, vi var tvungna att trippelkolla allt och sedan ringa ett omdöme för att säga att det här är en spännande upptäckt och andra människor bortom oss kan också arbeta med detta och tänka på och hjälpa oss att försöka lösa detta mysterium. "