Le super-réseau est composé de deux sous-réseaux interpénétrés, un diamant, représenté en vert, et l'autre pyrochlore, indiqué en rouge. Des amas tétraédriques rouges préformés et des sphères vertes s'auto-assemblent en un super-réseau MgCu2. Crédit:NYU Tandon School of Engineering
Particules colloïdales, utilisé dans une gamme d'applications techniques, y compris les aliments, encres, des peintures, et cosmétiques, peut s'auto-assembler en une remarquable variété de structures cristallines denses. Depuis des décennies, bien que, les chercheurs ont essayé d'amener les sphères colloïdales à s'organiser en réseaux beaucoup moins peuplés afin de libérer des propriétés optiques potentiellement précieuses. Ces structures, appelés cristaux photoniques, pourrait augmenter l'efficacité des lasers, miniaturiser davantage les composants optiques, et augmenter considérablement la capacité des ingénieurs à contrôler le flux de lumière.
Une équipe d'ingénieurs et de scientifiques du département de génie chimique et biomoléculaire de la NYU Tandon School of Engineering, le NYU Center for Soft Matter Research, et Sungkyunkwan University School of Chemical Engineering en République de Corée rapportent avoir trouvé une voie vers l'auto-assemblage de ces structures cristallines photoniques insaisissables jamais assemblées auparavant à l'échelle submicrométrique (un micromètre est environ 100 fois plus petit que le diamètre de une mèche de cheveux humains).
La recherche, qui paraît dans le journal Matériaux naturels , introduit un nouveau principe de conception basé sur des composants préassemblés de la superstructure souhaitée, tout comme une maison préfabriquée commence comme un ensemble de sections préfabriquées. Les chercheurs rapportent qu'ils ont pu assembler les sphères colloïdales en structures cristallines de diamant et de pyrochlore - un défi particulièrement difficile car tant d'espace est laissé inoccupé.
L'équipe, composé d'Etienne Ducrot, chercheur post-doctoral au NYU Center for Soft Matter Research; Mingxin He, un doctorant en génie chimique et biomoléculaire à NYU Tandon; Gi-Ra Yi de l'Université Sungkyunkwan; et David J. Pine, président du département de génie chimique et biomoléculaire de la NYU Tandon School of Engineering et professeur de physique de la NYU au NYU College of Arts and Science, s'est inspiré d'un alliage métallique de magnésium et de cuivre qui se produit naturellement dans les structures de diamant et de pyrochlore en tant que sous-réseaux. Ils ont vu que ces structures complexes pouvaient être décomposées en sphères simples et en amas tétraédriques (quatre sphères liées en permanence). Pour s'en rendre compte en laboratoire, ils ont préparé des amas et des sphères colloïdales en plastique submicroniques, et utilisé des segments d'ADN liés à leur surface pour diriger l'auto-assemblage dans la superstructure souhaitée.
Auto-assemblage d'amas tétraédriques préformés en super-réseau . Crédit:NYU Tandon School of Engineering
"Nous sommes capables de construire ces structures complexes parce que nous ne commençons pas avec des sphères uniques comme blocs de construction, mais avec des pièces pré-assemblées déjà "collées" ensemble, " a dit Ducrot. " Nous remplissons les vides structurels du treillis de diamant avec une structure interpénétrée, le pyrochlore, qui se trouve être aussi précieux que le réseau de diamants pour les futures applications photoniques."
Ducrot a dit des cristaux colloïdaux ouverts, tels que ceux avec des configurations diamant et pyrochlore, sont souhaitables car, lorsqu'il est composé du bon matériau, ils peuvent posséder des bandes interdites photoniques - des plages de fréquences lumineuses qui ne peuvent pas se propager à travers la structure - ce qui signifie qu'elles pourraient être pour la lumière ce que les semi-conducteurs sont pour les électrons.
"Cette histoire a été longue à préparer car ces propriétés matérielles ont été prédites il y a 26 ans, mais jusqu'à présent, il n'y avait pas de voie pratique pour les construire, " at-il dit. " Pour obtenir une bande interdite dans la partie visible du spectre électromagnétique, les particules doivent être de l'ordre de 150 nanomètres, qui est dans le domaine colloïdal. Dans un tel matériau, la lumière doit voyager sans dissipation le long d'un défaut, rendant possible la construction de puces à base de lumière."
Pine a déclaré que la technologie d'auto-assemblage est essentielle pour rendre la production de ces cristaux économiquement réalisable, car la création de quantités massives de cristaux avec des techniques de lithographie à la bonne échelle serait extrêmement coûteuse et très difficile.
"L'auto-assemblage est donc un moyen très attrayant de créer à peu de frais des cristaux avec une bande interdite photonique en grandes quantités, " dit Pin.
