För mer än ett decennium sedan, teoretiker förutspådde möjligheten av en nanolen - en kedja av tre nanoskala sfärer som skulle fokusera inkommande ljus till en fläck mycket mindre än vad som är möjligt med konventionell mikroskopi. En sådan anordning skulle möjliggöra extremt högupplöst avbildning eller biologisk avkänning. Men forskare hade inte kunnat bygga och ordna många nanolenser över ett stort område.

"Det var där vi kom in, sa Xiaoying Liu, senior forskare vid University of Chicagos Institute for Molecular Engineering. Liu och Paul Nealey, Dougan professor i molekylär teknik, tillsammans med experter inom nanofotonik vid Air Force Research Laboratory och Florida State University för att uppfinna ett nytt sätt att bygga nanolenser i stora uppsättningar med en kombination av kemiska och litografiska tekniker.

De anpassade tre sfäriska guldnanopartiklar av graderade storlekar i pärlbandsarrangemanget som förutspåddes producera fokuseringseffekten. Nyckeln, sa Liu, var kontroll:"Vi placerade varje enskild nanopartikelbyggsten i exakt den position vi ville att den skulle gå. Det är kärnan i vår tillverkningsteknik."

Teamet beskrev sin teknik i den senaste upplagan av Avancerade material . Det första steget använder de litografiska metoder som används för att göra tryckta kretsar för att skapa en kemisk mask. Liu och Nealeys maskblad exponerade ett mönster av tre fläckar av minskande storlek på ett substrat som kisel eller glas som inte absorberar guldnanopartiklarna.

Fina mönster

Litografi möjliggör extremt exakta och känsliga mönster, men det kan inte producera tredimensionella strukturer. Så forskarna använde kemi för att bygga ovanpå det mönstrade substratet i tre dimensioner. De behandlade fläckarna med polymerkedjor som sedan var bundna till substratet genom kemiska bindningar.

"Den kemiska kontrasten mellan de tre fläckarna och bakgrunden gör att guldpartiklarna bara går till fläckarna, " sa Liu. För att få var och en av de tre storlekarna av nanosfärer att fästa endast på sin egen utsedda plats, forskarna lekte med styrkan i den kemiska interaktionen mellan fläck och sfär. "Vi kontrollerar storleken på de olika områdena i det kemiska mönstret, och vi kontrollerar interaktionspotentialen för kemin i dessa områden med nanopartiklarna, sa Nealey.

Endast den största fläcken har den mängd kraft som behövs för att attrahera och hålla kvar den största partikeln; partikelns växelverkan med mitten och de små fläckarna är för svag.

När de stora sfärerna adsorberas, forskarna använder samma knep för att sätta de medelstora sfärerna på de medelstora fläckarna, och slutligen gå vidare till den minsta.

"Det är som historien om tre björnar, " sa Nealey. "Vi kan sätta stora på de stora fläckarna, men de kommer inte att hålla sig till de mindre fläckarna; lägg sedan nästa storlek på medelstor plats, men det fastnar inte på den lilla fläcken. Genom denna sekventiella tillverkning kan vi komma fram till dessa exakta sammansättningar av tre partiklar av olika storlek i nära anslutning till varandra."

Små separationer

Sfärerna är åtskilda med bara några nanometer. Det är denna lilla separation, i kombination med den sekventiella ordningen av sfärerna av olika storlek, som ger den nanolensande effekten.

"Du får denna koncentration i ljusets intensitet mellan de små och medelstora nanopartiklarna, sa Nealey.

Forskarna undersöker redan att använda denna "hot spot" för högupplöst avkänning med hjälp av spektroskopi. "Om du lägger en molekyl där, det kommer att interagera med det fokuserade ljuset, " sa Liu. "Det förbättrade fältet vid dessa hot spots kommer att hjälpa dig att få storleksordningar starkare signaler, och det ger oss möjlighet att få ultrakänslig avkänning. Kanske kan vi i slutändan upptäcka enstaka molekyler."

Forskarna förutser också att de ska tillämpa sin tillverkningsteknik på nanopartiklar av andra former, såsom stavar och stjärnor. "Fysiken hos partiklar som är formade annorlunda än sfärer möjliggör till och med ett bredare spektrum av tillämpningar, sa Nealey.

"Det finns ett stort antal egenskaper som du kan realisera genom att sätta partiklar med asymmetriska former bredvid varandra." Metoden kommer att ha bred tillämpning för alla processer som kräver precisionsplacering av material i närheten av samma eller olika typer av material. Det kommer, Nealey förutspår, "vara en del av det sätt som nanotillverkning sker."