(Phys.org) – Om du kan bryta symmetrin hos nanorodpar på ett enhetligt sätt i en kolloidal lösning, du är ett steg före spelet mot att uppnå nya och spännande metamaterialegenskaper. Men traditionell termodynamisk-driven kolloidal sammansättning av dessa metamaterial, som är material som definieras av deras icke-naturligt förekommande egenskaper, resulterar ofta i strukturer med hög grad av symmetri i bulkmaterialet. I detta fall, energibehovet tillåter inte strukturen att bryta sin symmetri.

I en studie ledd av Xiang Zhang, chef för Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, han och hans forskargrupp vid University of California (UC) Berkeley uppnådde symmetribrytande i en bulkmetamateriallösning för första gången. Zhang och hans grupp visade självmonterade optiska metamaterial med skräddarsydda trasiga symmetrier och därmed unika elektromagnetiska svar som kan uppnås via deras nya metod. Resultaten har publicerats i Naturens nanoteknik . Uppsatsen har titeln "Feedback-driven självmontering av symmetribrytande optiska metamaterial i lösning."

"Vi utvecklade en innovativ självmonteringsväg som kunde överstiga den konventionella termodynamiska gränsen för kemiska syntetiska system" förklarar Sui Yang, huvudförfattare till Nature Nanotechnology paper och medlem av Zhangs forskargrupp. "Specifikt, vi använder materialets egen egenskap som en självkorrigerande återkopplingsmekanism för att själv bestämma den slutliga strukturen."

Detta ledde till att gruppen producerade nanostrukturer som historiskt sett har ansetts omöjliga att montera.

Den allmänt använda metoden för metamaterialsyntes är top-down tillverkning såsom elektronstråle eller fokusjonstrålelitografi som ofta resulterar i starkt anisotropa och småskaliga metamaterial.

"Människor bygger metamaterial med top-down-metoder som inkluderar ljusexponering och exponering för elektronstrålar, som är ineffektiva och dyra, " säger Xingjie Ni, en annan huvudförfattare på tidningen. "Om vi ​​vill använda metamaterial, vi måste utveckla ett sätt att bygga dem billigt och effektivt. "

Nedifrån och upp-rutten uppfyller dessa krav. Börjar med en lösning av kolloidala nanoroder, Yang och Ni byggde på den vanliga självmonteringstekniken som används för att bygga nanopartiklar. Tvisten som de lade till var att införa en återkopplingsmekanism för att få den önskade produkten.

Den önskade produkten vid syntetisering av kolloidala guldnanoroder, som stabiliseras under tillväxten för att erhålla förmånlig bindning längs längsgående fasetter, är par av stavar, eller dimerer, som förskjuts med en viss mängd:deras symmetri är likformigt bruten.

"När du får den här reaktionen, du får alla sorters produkter. Du har ett par nanorods utan någon förskjutning alls i förhållande till varandra; eller ett par som är förskjutna för mycket; eller inte tillräckligt. Detta är en typisk process och styrs av termodynamik, " förklarar Yang.

Teamet använde en laser för att excitera plasmonisk resonans av specifika partiklar som produceras i reaktionen. Detta gjorde det möjligt för dem att skilja ut de oönskade resonanserna, indikerar nanorod-par som inte är förskjutna i önskad mängd, och dissociera dessa par med hjälp av värme från exciteringen.

"Bara den önskade resonansen överlever i denna process, " säger Ni. "Då kan reaktionen upprepas för att producera mer av det önskade, brutna symmetripartiklar baserade på deras plasmoniska signatur. Tydlig skillnad i resonansprofiler gör detta till en mycket selektiv metod.

"Detta är en helt ny tillverkningsmetod för självmontering som folk ofta kan använda:vi använder materialets egna egenskaper för att driva fram nanostrukturbildning i lösning. Detta har det inneboende värdet av att göra många strukturer i en sats."

Metoden som utvecklats i Zhangs forskargrupp kan tillämpas på många andra nanopartiklar; verkligen, nästan vilken struktur som helst som kan monteras själv kan produceras på detta sätt. Detta löser problemet med att uppnå storskalig symmetrisk brytning, och kan öppna dörren till nya fastigheter och applikationer.

Den unika återkopplingsmekanismen leder till exakt kontrollerade nanostrukturer med bortom konventionella symmetrier och funktioner.

"Som en demonstration i vårt papper, vi har syntetiserat en ny klass av symmetribrytande optiska metamaterial som har isotropiska elektromagnetiska svar och kan användas i ett antal viktiga tillämpningar, såsom subvåglängdsavbildning, optisk cloaking och avkänning, säger Yang.

"I motsats till den konventionella visdomen att ett material struktur bestämmer dess egenskaper, vi föreslår provokativt att de fysiska egenskaperna hos material, genom design, kan diktera utvecklingen av självmontering och själv bestämma strukturerna för bulkmaterial." avslutar Zhang.