Quand John Crocker, un professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Pennsylvanie était un étudiant diplômé, son conseiller a réuni tout le monde dans son laboratoire pour « jeter le gant » sur un nouveau défi sur le terrain.

Quelqu'un avait prédit que si l'on pouvait faire pousser des cristaux colloïdaux ayant la même structure que les atomes de carbone dans une structure de diamant, il aurait des propriétés optiques particulières qui pourraient révolutionner la photonique. Dans ce matériau, appelé matériau à bande interdite photonique, ou PBM, la lumière agirait d'une manière mathématiquement analogue à la façon dont les électrons se déplacent dans un semi-conducteur.

« L'implication technologique est que de tels matériaux permettraient la construction de « transistors » pour la lumière, la capacité de piéger la lumière à des endroits spécifiques et de construire des microcircuits pour des LED et des lasers légers et plus efficaces, " dit Crocker.

À l'époque, Crocker a décidé de poursuivre ses propres projets, laisser la poursuite des PBM à d'autres.

Vingt ans plus tard, Le propre étudiant diplômé de Crocker, Yifan Wang, a produit cette structure de diamant insaisissable tout en travaillant sur un problème différent, par hasard. Cela les a mis sur la voie de la réalisation de PBM, le « Saint Graal de l'auto-assemblage dirigé des particules, " dit Crocker.

"C'est une histoire classique de sérendipité dans la découverte scientifique. Vous ne pouvez pas anticiper ces choses. Vous avez parfois de la chance et quelque chose d'incroyable en sort."

La recherche a été dirigée par Crocker, Wang, le professeur Talid Sinno de SEAS et l'étudiant diplômé Ian Jenkins. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature .

Être un PBM, un matériau doit avoir une structure cristalline non pas à l'échelle des atomes mais à l'échelle de la longueur d'onde de la lumière.

"En d'autres termes, " Crocker a dit, "vous devez sculpter ou organiser un matériau transparent dans un réseau de sphères avec une symétrie particulière, et les sphères ou les trous doivent mesurer des centaines de nanomètres."

Dans les années 90, Crocker a dit, les scientifiques pensaient qu'il y aurait de nombreuses manières possibles d'arranger les sphères et de développer la structure nécessaire en utilisant des cristaux colloïdes similaires à la façon dont les cristaux de semi-conducteurs sont développés :des sphères colloïdales s'organisant spontanément en différents réseaux cristallins.

Les opales en sont un exemple naturel. Ils se forment lorsque la silice dans les eaux souterraines forme des sphères microscopiques, qui cristallisent sous terre puis se fossilisent en solides.

Bien que les opales n'aient pas la bonne symétrie pour être des PBM, leur aspect irisé résulte du fait que leur structure cristalline périodique est à des échelles comparables à la longueur d'onde de la lumière.

Pour former un PBM, l'objectif principal est d'organiser des sphères microscopiques transparentes dans un motif 3-D qui imite l'arrangement atomique des atomes de carbone dans un réseau de diamants. Cette structure, contrairement aux autres cristaux, manque de certaines directions de symétrie d'autres cristaux où la lumière peut se comporter normalement, permettant à la structure du diamant de maintenir l'effet PBM.

Les scientifiques ont supposé qu'ils seraient capables de fabriquer des opales synthétiques avec différentes structures en utilisant différents matériaux pour produire des PBM. Mais cela s'est avéré plus difficile qu'ils ne l'avaient pensé et, 20 ans plus tard, il n'a toujours pas été accompli.

Pour enfin créer ces treillis en diamant, les chercheurs de Penn ont utilisé des microsphères recouvertes d'ADN de deux tailles légèrement différentes.

"Ceux-ci forment spontanément des cristaux colloïdaux lorsqu'ils sont incubés à la bonne température, en raison de l'ADN formant des ponts entre les particules, " dit Crocker. " Sous certaines conditions, les cristaux ont une structure en double diamant, deux réseaux de diamants interpénétrés, chacun étant composé d'une taille ou d'une « saveur » de particule. »

Ils ont ensuite réticulé ces cristaux ensemble en un solide.

Crocker décrit la réalisation comme une bonne chance. Les chercheurs n'avaient pas entrepris de créer cette structure en diamant. Ils avaient fait une expérience « mélanger et prier » :Wang ajustait cinq variables matérielles pour explorer l'espace des paramètres. À ce jour, cela a produit 11 cristaux différents, dont l'une était la surprenante structure en double losange.

"Souvent, quand quelque chose d'inattendu se produit, il ouvre la porte à une nouvelle approche technologique, " dit Sinno. " Il pourrait y avoir une nouvelle physique par opposition à la vieille physique poussiéreuse des manuels. "

Maintenant qu'ils ont franchi un obstacle important sur la voie de la création de PBM, les chercheurs doivent trouver comment remplacer les matériaux par des particules à indice élevé et dissoudre sélectivement une espèce pour les laisser avec un réseau de diamants auto-assemblés de microsphères colloïdales.

S'il est capable de produire avec succès un PBM, le matériau serait comme un "semi-conducteur pour la lumière, " ayant des propriétés optiques inhabituelles qui n'existent dans aucun matériau naturel. Les matériaux transparents normaux ont un indice de réfraction compris entre 1,3 et 2,5. Ces PBM pourraient avoir un indice de réfraction très élevé, ou même un indice de réfraction négatif qui réfracte la lumière vers l'arrière.

De tels matériaux pourraient être utilisés pour fabriquer des lentilles, caméras et microscopes avec de meilleures performances, ou peut-être même des "capes d'invisibilité, " des objets solides qui redirigeraient tous les rayons lumineux autour d'un compartiment central, rendre les objets là invisibles.

Bien que les chercheurs aient pu reproduire cela expérimentalement plus d'une douzaine de fois, Sinno et Jenkins ont été incapables de reproduire les résultats en simulation. C'est la seule structure des 11 cristaux produits par Wang qu'ils n'ont pas pu reproduire en simulation.

"C'est la seule structure que nous ayons trouvée jusqu'à présent que nous ne pouvons pas expliquer, ce qui n'est probablement pas sans rapport avec le fait que personne n'a prédit que vous pourriez la former avec ce système, " a déclaré Sinno. " Il y a plusieurs autres articles que nous avons eus dans le passé qui montrent vraiment à quel point nos approches sont puissantes pour tout expliquer. Dans un sens, le fait que rien de tout cela n'a fonctionné ajoute la preuve que quelque chose de fondamentalement différent se déroule ici. »

Les chercheurs pensent actuellement qu'un autre un cristal inconnu se développe puis se transforme en double cristaux de diamant, mais cette idée s'est avérée difficile à confirmer.

"Vous avez l'habitude d'écrire des papiers quand vous comprenez quelque chose, " Crocker a déclaré. "Nous avons donc eu un dilemme. Normalement, quand nous trouvons quelque chose, nous le mordillons pendant un moment, nous faisons des simulations, puis quand tout a du sens, nous l'écrivons. Dans ce cas, nous avons dû tout vérifier trois fois, puis porter un jugement pour dire qu'il s'agit d'une découverte passionnante et que d'autres personnes au-delà de nous peuvent également y travailler, réfléchir et nous aider à essayer de résoudre ce mystère. »