Kolloidala partiklar, används i en rad tekniska tillämpningar inklusive livsmedel, bläck, målar, och kosmetika, kan självmontera till en anmärkningsvärd mängd tätt packade kristallina strukturer. I årtionden, fastän, forskare har försökt locka kolloidala sfärer till att ordna sig i mycket mer glesbefolkade galler för att släppa lös potentiellt värdefulla optiska egenskaper. Dessa strukturer, kallade fotoniska kristaller, kan öka effektiviteten hos lasrar, miniatyrisera optiska komponenter ytterligare, och avsevärt öka ingenjörernas förmåga att kontrollera ljusflödet.

Ett team av ingenjörer och forskare från NYU Tandon School of Engineering Department of Chemical and Biomolecular Engineering, NYU Center for Soft Matter Research, och Sungkyunkwan University School of Chemical Engineering i Republiken Korea rapporterar att de har hittat en väg mot självmontering av dessa svårfångade fotoniska kristallstrukturer som aldrig har satts ihop tidigare på submikrometerskalan (en mikrometer är ungefär 100 gånger mindre än diametern på en sträng människohår).

Forskningen, som står i journalen Naturmaterial , introducerar en ny designprincip baserad på förmonterade komponenter av önskad överbyggnad, ungefär som ett prefabricerat hus börjar som en samling färdigbyggda sektioner. Forskarna rapporterar att de kunde sätta ihop de kolloidala sfärerna till diamant- och pyroklorkristallstrukturer - en särskilt svår utmaning eftersom så mycket utrymme lämnas obemannat.

Laget, bestående av Etienne Ducrot, en postdoktoral forskare vid NYU Center for Soft Matter Research; Mingxin He, en doktorand i kemisk och biomolekylär teknik vid NYU Tandon; Gi-Ra Yi från Sungkyunkwan University; och David J. Pine, ordförande för Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik vid NYU Tandon School of Engineering och en NYU-professor i fysik vid NYU College of Arts and Science, hämtade inspiration från en metallegering av magnesium och koppar som förekommer naturligt i diamant- och pyroklorstrukturer som undergitter. De såg att dessa komplexa strukturer kunde brytas ner i enstaka sfärer och tetraedriska kluster (fyra sfärer permanent bundna). För att inse detta i labbet, de förberedde kolloidala kluster och sfärer av submikron plast, och använde DNA-segment bundna till deras yta för att styra självmonteringen till den önskade överbyggnaden.

"Vi kan bygga de där komplexa strukturerna eftersom vi inte börjar med enstaka sfärer som byggstenar, men med förmonterade delar redan "limmade" ihop, " Sa Ducrot. "Vi fyller de strukturella hålrummen i diamantgittret med en genomträngd struktur, pyrokloret, som råkar vara lika värdefullt som diamantgittret för framtida fotoniska tillämpningar."

Ducrot sa öppna kolloidala kristaller, som de med diamant- och pyroklorkonfigurationer, är önskvärda eftersom när den består av rätt material, de kan ha fotoniska bandgap – ljusfrekvensområden som inte kan fortplanta sig genom strukturen – vilket betyder att de kan vara för ljus vad halvledare är för elektroner.

"Den här historien har varit under lång tid eftersom dessa materialegenskaper har förutspåtts för 26 år sedan, men fram till nu, det fanns ingen praktisk väg att bygga dem, " sa han. "För att uppnå ett bandgap i den synliga delen av det elektromagnetiska spektrumet, partiklarna måste vara i storleksordningen 150 nanometer, som ligger i det kolloidala området. I ett sådant material, ljus ska färdas utan att spridas längs en defekt, gör det möjligt att bygga chips baserade på ljus."

Pine sa att självmonteringsteknik är avgörande för att göra produktionen av dessa kristaller ekonomiskt genomförbar eftersom att skapa bulkkvantiteter av kristaller med litografitekniker i rätt skala skulle vara extremt kostsamt och mycket utmanande.

"Självmontering är därför ett mycket tilltalande sätt att på ett billigt sätt skapa kristaller med ett fotoniskt bandgap i bulkkvantiteter, " sa Pine.