Föreställ dig att skapa nya enheter med fantastiska och exotiska optiska egenskaper som inte finns i naturen - genom att helt enkelt avdunsta en droppe av partiklar på en yta.

Genom att kemiskt bygga kluster av nanosfärer från en vätska, ett team av Harvard -forskare, i samarbete med forskare vid Rice University, University of Texas i Austin, och University of Houston, har utvecklat just det.

Fyndet, publicerad i 28 maj -numret av Vetenskap , demonstrerar enkla skalbara enheter som uppvisar anpassningsbara optiska egenskaper lämpliga för applikationer som sträcker sig från mycket känsliga sensorer och detektorer till osynlighetsmantel. Använda partiklar som består av koncentriska metalliska och isolerande skal, Jonathan Fan, en doktorand vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hans huvudmedförfattare Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering på SEAS, och Vinothan Manoharan, Docent i kemiteknik och fysik vid SEAS och Harvards fysikavdelning, skapade en bottom-up, självmonteringsmetod för att möta designutmaningen.

"En långvarig utmaning inom optisk teknik har varit att hitta sätt att göra strukturer av storlek mycket mindre än våglängden som uppvisar önskade och intressanta egenskaper, " säger Fan. "Vid synliga frekvenser, dessa strukturer måste vara i nanoskala."

I kontrast, de flesta enheter i nanoskala tillverkas med metoder uppifrån och ner, liknande hur datorchips tillverkas. De minsta storlekar som kan realiseras med sådana tekniker begränsas kraftigt av tillverkningsprocessens inneboende gränser, såsom våglängden på ljus som används i processen. Dessutom, sådana metoder är begränsade till plana geometrier, är dyra, och kräver intensiv infrastruktur som renrum.

"Med vår bottom-up-strategi, vi härmar hur naturen skapar innovativa strukturer, som uppvisar extremt användbara egenskaper, " förklarar Capasso. "Våra nanokluster beter sig som små optiska kretsar och kan vara grunden för ny teknik som detektorer av enstaka molekyler, effektiva och biologiskt kompatibla sonder inom cancerterapi, och optisk pincett för att manipulera och sortera ut nanostorlekar. Dessutom, tillverkningsprocessen är mycket enklare och billigare att genomföra."

Forskarens självmonteringsmetod kräver inget annat än lite blandning och torkning. För att bilda klustren, partiklarna beläggs först med en polymer, och en droppe av dem avdunstas sedan på en vattenavvisande yta. Under avdunstningsprocessen, partiklarna packas ihop till små kluster. Använda polymerdistanser för att separera nanopartiklarna, forskarna kunde kontrollerat uppnå ett gap på två nanometer mellan partiklarna – mycket bättre upplösning än vad traditionella top-down-metoder tillåter.

Två typer av resulterande optiska kretsar är av stort intresse. En trimer, bestående av tre partiklar med lika mellanrum, kan stödja ett magnetiskt svar, en väsentlig egenskap hos osynlighetskappor och material som uppvisar negativt brytningsindex.

"I huvudsak, trimern fungerar som en resonator i nanoskala som kan stödja en cirkulerande strömslinga vid synliga och nära infraröda frekvenser, " säger Fan. "Denna struktur fungerar som en nanoskalamagnet vid optiska frekvenser, något som naturmaterial inte kan göra."

heptamerer, eller packade sju partikelstrukturer, uppvisar nästan ingen spridning för ett smalt område av väldefinierade färger eller våglängder när de belyses med vitt ljus. Dessa skarpa dips, känd som Fano-resonanser, uppstår från interferensen av två moder av elektronoscillationer, ett "ljust" läge och ett icke-optiskt aktivt "mörkt" läge, i nanopartikeln.

"Heptamerer är mycket effektiva för att skapa extremt intensiva elektriska fält lokaliserade i nanometerstora regioner där molekyler och partiklar i nanoskala kan fångas, manipulerad, och upptäckt. Molekylär avkänning skulle förlita sig på att detektera förskjutningar i de smala spektratdipparna, säger Capasso.

I sista hand, alla de självmonterade kretsdesignerna kan enkelt ställas in genom att variera geometrin, hur partiklarna separeras, och den kemiska miljön. Kortfattat, den nya metoden tillåter en "verktygssats" för att manipulera "konstgjorda molekyler" på ett sådant sätt att skapa optiska egenskaper efter behag, en funktion forskarna förväntar sig är generellt generaliserbar till en mängd andra egenskaper.

Blickar framåt, forskarna planerar att arbeta med att uppnå högre klusterutbyten och hoppas kunna montera tredimensionella strukturer i makroskala, en "helig gral" av materialvetenskap.

"Vi är glada över metodens potentiella skalbarhet, " säger Manoharan. "Sfärer är de enklaste formerna att montera eftersom de lätt kan packas ihop. Medan vi bara visade här plana partikelkluster, vår metod kan utvidgas till tredimensionella strukturer, något som en top-down-strategi skulle ha svårt att göra."