Frågan om hur många polyedriska nanokristaller av silver som kan packas i millimeterstora superkristaller kanske inte brinner på många läppar, men svaret är viktigt för ett av dagens hetaste nya högteknologiska områden – plasmonik! Forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan ha öppnat dörren till ett enklare tillvägagångssätt för tillverkning av plasmoniska material genom att inducera polyedriska silvernanokristaller att självmontera till tredimensionella superkristaller med högsta möjliga densitet.

Plasmonik är fenomenet genom vilket en ljusstråle är instängd i extremt trånga utrymmen så att den kan manipuleras för att göra saker som en ljusstråle i öppna utrymmen inte kan. Detta fenomen lovar mycket för supersnabba datorer, mikroskop som kan se föremål i nanoskala med synligt ljus, och även skapandet av osynlighetsmattor. En stor utmaning för att utveckla plasmonisk teknologi, dock, är svårigheten att tillverka metamaterial med gränssnitt i nanostorlek mellan ädelmetaller och dielektrikum.

Peidong Yang, en kemist vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, ledde en studie där silvernanokristaller av en mängd olika polyedriska former självmonterades till exotiska millimeterstora överbyggnader genom en enkel sedimenteringsteknik baserad på gravitation. Denna första demonstration någonsin av att bilda sådana storskaliga silversuperkristaller genom sedimentering beskrivs i en artikel i tidskriften Naturmaterial med titeln "Självmontering av enhetliga polyedriska silvernanokristaller till tätaste packningar och exotiska supergitter." Yang, som också har anställningar med University of California Berkeleys kemiavdelning och institutionen för materialvetenskap och teknik, är motsvarande författare.

"Vi har visat genom experiment och datorsimulering att en rad mycket enhetliga, silverpolyedriska kristaller i nanoskala kan självmontera till strukturer som har beräknats vara de tätaste packningarna av dessa former, " säger Yang. "Dessutom, i fallet med oktaedrar, vi visade att kontroll av polymerkoncentrationen tillåter oss att ställa in mellan en välkänd gitterpackningsstruktur och en ny packningsstruktur som innehöll komplexa spiralformade motiv."

I den Naturmaterial papper Yang och hans medförfattare beskriver en polyolsyntesteknik som användes för att generera silvernanokristaller i olika former, inklusive kuber, trunkerade kuber, cuboctahedra, trunkerade oktaedrar och oktaedrar över ett intervall av storlekar från 100 till 300 nanometer. Dessa enhetliga polyedriska nanokristaller placerades sedan i lösning där de sattes ihop till täta superkristaller cirka 25 kvadratmillimeter stora genom gravitationssedimentation. Även om monteringsprocessen kunde utföras i bulklösning, Att låta monteringen ske i reservoarerna av mikroarraykanaler försåg Yang och hans medarbetare med exakt kontroll över supergitterdimensionerna.

"I ett typiskt experiment, en utspädd lösning av nanopartiklar laddades i en reservoar som sedan lutades, får partiklarna att gradvis sedimentera och samlas på botten av reservoaren, " Yang says. "More concentrated solutions or higher angles of tilt caused the assemblies to form more quickly."

The assemblies generated by this sedimentation procedure exhibited both translational and rotational order over exceptional length scales. In the cases of cubes, truncated octahedra and octahedra, the structures of the dense supercrystals corresponded precisely to their densest lattice packings. Although sedimentation-driven assembly is not new, Yang says this is the first time the technique has been used to make large-scale assemblies of highly uniform polyhedral particles.

"The key factor in our experiments is particle shape, a feature we have found easier to control, " Yang says. "When compared with crystal structures of spherical particles, our dense packings of polyhedra are characterized by higher packing fractions, larger interfaces between particles, and different geometries of voids and gaps, which will determine the electrical and optical properties of these materials."

The silver nanocrystals used by Yang and his colleagues are excellent plasmonic materials for surface-enhanced applications. Packing the nanocrystals into three-dimensional supercrystals allows them to be used as metamaterials with the unique optical properties that make plasmonic technology so intriguing.

"Our self-assembly process for these silver polyhedral nanocrystals may give us access to a wide range of interesting, scalable nanostructured materials with dimensions that are comparable to those of bulk materials, " Yang says.