Forskare vid University of California, San Diego Jacobs School of Engineering har utvecklat en teknik som gör det möjligt för metalliska nanokristaller att självmontera till större, komplexa material för nästa generations antenner och linser. Metallnanokristallerna är kubformade och, som tegelstenar eller tetrisblock, spontant organisera sig i strukturer i större skala med exakta orienteringar i förhållande till varandra. Deras resultat publicerades online den 10 juni i tidskriften Naturens nanoteknik.

Denna forskning är inom det nya området nanoplasmonics, där forskare utvecklar material som kan manipulera ljus med hjälp av strukturer som är mindre än själva ljusets våglängd. Nanokuberna som användes i denna studie var mindre än 0,1 mikron; i jämförelse, bredden på ett människohår är 100 mikron. Exakt orientering är nödvändig så att kuberna kan begränsa ljus (för en antenn i nanoskala) eller fokusera ljus (för en lins i nanoskala) vid olika våglängder.

"Våra fynd kan ha viktiga konsekvenser för utvecklingen av nya optiska kemiska och biologiska sensorer, där ljus interagerar med molekyler, och i optiska kretsar, där ljus kan användas för att leverera information, sa Andrea Tao, professor vid institutionen för nanoteknik vid Jacobs School. Tao samarbetade med nanoteknikprofessor Gaurav Arya och postdoktorand Bo Gao.

För att konstruera föremål som antenner och linser, Taos team använder kemiskt syntetiserade metallnanokristaller. Nanokristallerna kan syntetiseras till olika former för att bygga dessa strukturer; i den här studien, Taos team skapade små kuber sammansatta av kristallint silver som kan begränsa ljus när de organiseras i flerpartikelgrupperingar. Att begränsa ljuset i ultrasmå volymer kan tillåta optiska sensorer som är extremt känsliga och som kan tillåta forskare att övervaka hur en enskild molekyl rör sig, reagerar, och förändras med tiden.

För att kontrollera hur kuberna organiseras, Tao och hennes kollegor utvecklade en metod för att ympa polymerkedjor till silverkubsytorna som modifierar hur kuberna interagerar med varandra. Normalt när objekt som kuber staplas, de packar sida vid sida som Tetris-block. Med hjälp av simuleringar, Taos team förutspådde att placering av korta polymerkedjor på kubytan skulle få dem att staplas normalt, medan långa polymerkedjor skulle få kuberna att staplas kant i kant. Tillvägagångssättet är enkelt, robust, och mångsidig.

Genom att demonstrera sin teknik, forskarna skapade makroskopiska filmer av nanokuber med dessa två olika orienteringar och visade att filmerna reflekterade och transmitterade olika våglängder av ljus.