En ny tillverkningsprocess för spiralformade metallnanopartiklar ger ett enklare och billigare sätt att snabbt producera ett material som är nödvändigt för biomedicinska och optiska enheter, enligt en studie av forskare vid University of Michigan.
"En av våra drivkrafter är att drastiskt förenkla tillverkningen av komplexa material som representerar flaskhalsar i många aktuella teknologier", säger Nicholas Kotov, professor vid Irving Langmuir Distinguished University of Chemical Sciences and Engineering vid U-M och medförfattare till studien, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Chirala ytor – vilket betyder att ytan saknar spegelsymmetri (t.ex. en vänster och höger hand) – som har förmågan att böja ljus på nanoskala är mycket efterfrågade. Den nya studien visar ett sätt att göra dem genom att 3D-printa "skogar" av nanoskala spiraler. Att rikta in spiralens axlar med en ljusstråle skapar stark optisk rotation, vilket gör att kiralitet kan utnyttjas i hälso- och informationsteknologier, för vilka kiralitet är vanligt.
Kirala ytor från plasmoniska metaller är ännu mer önskvärda eftersom de kan producera en stor familj av mycket känsliga biodetektorer. Till exempel kan de upptäcka specifika biomolekyler – producerade av farliga läkemedelsresistenta bakterier, muterade proteiner eller DNA – vilket kan hjälpa till med utvecklingen av riktade terapier. Dessa material erbjuder också potential att avancera informationsteknik, skapa större datalagringskapacitet och snabbare bearbetningshastigheter genom att utnyttja ljusets interaktion med elektroniska system (d.v.s. fiberoptiska kablar).
Även om dessa speciella 3D-strukturerade ytor från stående spiraler är välbehövliga, är de traditionella metoderna för att göra dem komplexa, dyra och skapar mycket avfall.
Oftast är dessa material tillverkade med hjälp av högspecialiserad hårdvara - såsom två-foton 3D-litografi eller jon/elektronstråle-inducerad avsättning - endast tillgänglig i ett fåtal avancerade anläggningar. Även om de är korrekta, involverar dessa metoder tidskrävande, flerstegsbearbetning vid lågt tryck eller höga temperaturer.
3D-utskrift har föreslagits som ett alternativ, men befintlig 3D-utskriftsteknik tillåter inte upplösning i nanoskala. Som en lösning utvecklade U-M-forskargruppen en metod som använder spiralformade ljusstrålar för att producera nanoskala spiraler med specifik handenhet och stigning.
"Chirala plasmoniska ytor i centimeterskala kan produceras inom några minuter med hjälp av billiga medelkraftslasrar. Det var fantastiskt att se hur snabbt dessa spiralformade skogar växer", säger Kotov.
3D-utskrift av spiralformade strukturer med spiralformigt ljus är baserad på kiralitetsöverföringen från ljus till materia som upptäcktes vid U-M för cirka 10 år sedan.
Enstegs, maskfri, direktskrivutskrift från vattenlösningar av silversalt ger ett alternativ till nanolitografi samtidigt som 3D additiv tillverkning avancerar. Bearbetningsenkelheten, den höga polarisationsrotationen och den fina rumsliga upplösningen av ljusdriven utskrift av spiraler från metall kommer avsevärt att påskynda beredningen av komplex arkitektur i nanoskala för nästa generation av optiska chips.
Mer information: Ji-Young Kim et al, Direct-write 3D-utskrift av plasmoniska nanohelikoider med cirkulärt polariserat ljus, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312082121
Tillhandahålls av University of Michigan College of Engineering
