Den kolloidala diamanten har varit en dröm för forskare sedan 1990-talet. Dessa strukturer - stabila, självmonterade formationer av mycket små material – har potential att göra ljusvågor lika användbara som elektroner i datoranvändning, och hålla löfte för en mängd andra applikationer. Men medan idén om kolloidala diamanter utvecklades för decennier sedan, ingen kunde på ett tillförlitligt sätt producera strukturerna. Tills nu.

Forskare ledda av David Pine, professor i kemisk och biomolekylär teknik vid NYU Tandon School of Engineering och professor i fysik vid NYU, har utarbetat en ny process för pålitlig självmontering av kolloider i en diamantformation som kan leda till billiga, skalbar tillverkning av sådana strukturer. Upptäckten, detaljerad i "Kolloidal diamant, " visas i numret av 24 september Natur , kan öppna dörren till högeffektiva optiska kretsar som leder till framsteg inom optiska datorer och lasrar, ljusfilter som är mer tillförlitliga och billigare att tillverka än någonsin tidigare, och mycket mer.

Pine och hans kollegor, inklusive huvudförfattaren Mingxin He, en postdoktor vid institutionen för fysik vid NYU, och motsvarande författare Stefano Sacanna, docent i kemi vid NYU, har studerat kolloider och de möjliga sätten de kan struktureras i årtionden. Dessa material, består av sfärer hundratals gånger mindre än diametern på ett människohår, kan ordnas i olika kristallina former beroende på hur sfärerna är kopplade till varandra. Varje kolloid fäster till en annan med hjälp av DNA-strängar limmade på ytorna av kolloiderna som fungerar som ett slags molekylärt kardborreband. När kolloider kolliderar med varandra i ett vätskebad, DNA-hakarna och kolloiderna är sammanlänkade. Beroende på var DNA är fäst vid kolloiden, de kan spontant skapa komplexa strukturer.

Denna process har använts för att skapa strängar av kolloider och till och med kolloider i en kubisk formation. Men dessa strukturer producerade inte fotonikens heliga gral – ett bandgap för synligt ljus. Ungefär som en halvledare filtrerar bort elektroner i en krets, ett bandgap filtrerar bort vissa våglängder av ljus. Att filtrera ljus på detta sätt kan på ett tillförlitligt sätt uppnås av kolloider om de är arrangerade i en diamantformation, en process som anses vara för svår och dyr för att utföra i kommersiell skala.

"Det har varit en stor önskan bland ingenjörer att göra en diamantstruktur, sade Pine. "De flesta forskare hade gett upp det, för att säga er sanningen – vi kan vara den enda gruppen i världen som fortfarande arbetar med detta. Så jag tror att publiceringen av tidningen kommer som något av en överraskning för samhället."

Utredarna, inklusive Etienne Ducrot, en tidigare postdoc vid NYU Tandon, nu på Centre de Recherche Paul Pascal - CNRS, Pessac, Frankrike; och Gi-Ra Yi från Sungkyunkwan University, Suwon, Sydkorea, upptäckte att de kunde använda en sterisk förreglingsmekanism som spontant skulle producera de nödvändiga förskjutna bindningarna för att göra denna struktur möjlig. När dessa pyramidala kolloider närmade sig varandra, de länkade i den nödvändiga orienteringen för att generera en diamantformation. Istället för att gå igenom den mödosamma och dyra processen att bygga dessa strukturer med hjälp av nanomaskiner, denna mekanism tillåter kolloiderna att strukturera sig själva utan behov av yttre störningar. Vidare, diamantstrukturerna är stabila, även när vätskan de bildas i avlägsnas.

Upptäckten gjordes för att han, en doktorand vid NYU Tandon vid den tiden, märkte en ovanlig egenskap hos kolloiderna han syntetiserade i en pyramidform. Han och hans kollegor drog fram alla sätt som dessa strukturer kunde kopplas samman. När de hände på en viss sammanlänkade struktur, de insåg att de hade träffat rätt metod. "Efter att ha skapat alla dessa modeller, vi såg direkt att vi hade skapat diamanter, " sa han.

"Dr. Pines länge eftersökta demonstration av de första självmonterade kolloidala diamantgittren kommer att låsa upp nya forsknings- och utvecklingsmöjligheter för viktiga teknologier från försvarsdepartementet som kan dra nytta av 3-D fotoniska kristaller, " sa Dr Evan Runnerström, programansvarig, Army Research Office (ARO), en del av US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

Han förklarade att potentiella framtida framsteg inkluderar tillämpningar för högeffektiva lasrar med minskad vikt och energibehov för precisionssensorer och riktade energisystem; och exakt styrning av ljus för 3-D integrerade fotoniska kretsar eller optisk signaturhantering.

"Jag är nöjd med det här resultatet eftersom det på ett underbart sätt illustrerar ett centralt mål för ARO:s materialdesignprogram - att stödja högrisk, forskning med hög belöning som låser upp vägar nerifrån och upp för att skapa extraordinära material som tidigare var omöjliga att tillverka."

Laget, som även inkluderar John Gales, en doktorand i fysik vid NYU, och Zhe Gong, en postdoc vid University of Pennsylvania, tidigare doktorand i kemi vid NYU, är nu fokuserade på att se hur dessa kolloidala diamanter kan användas i en praktisk miljö. De skapar redan material med hjälp av sina nya strukturer som kan filtrera bort optiska våglängder för att bevisa deras användbarhet i framtida teknologier.