Le diamant colloïdal fait rêver les chercheurs depuis les années 1990. Ces structures—stables, formations auto-assemblées de matériaux minuscules - ont le potentiel de rendre les ondes lumineuses aussi utiles que les électrons en informatique, et tenir la promesse d'une foule d'autres applications. Mais alors que l'idée des diamants colloïdaux a été développée il y a des décennies, personne n'était capable de produire de manière fiable les structures. Jusqu'à maintenant.

Des chercheurs dirigés par David Pine, professeur de génie chimique et biomoléculaire à la NYU Tandon School of Engineering et professeur de physique à NYU, ont mis au point un nouveau procédé pour l'auto-assemblage fiable de colloïdes dans une formation de diamant qui pourrait conduire à bon marché, fabrication évolutive de telles structures. La découverte, détaillé dans "Diamant colloïdal, " paru dans le numéro du 24 septembre de La nature , pourrait ouvrir la porte à des circuits optiques hautement efficaces conduisant à des avancées dans les ordinateurs optiques et les lasers, des filtres de lumière plus fiables et moins chers à produire que jamais, et beaucoup plus.

Pine et ses collègues, dont l'auteur principal Mingxin He, chercheur postdoctoral au Département de physique de l'Université de New York, et l'auteur correspondant Stefano Sacanna, professeur agrégé de chimie à NYU, étudient les colloïdes et les manières possibles de les structurer depuis des décennies. Ces matériaux, constitué de sphères des centaines de fois plus petites que le diamètre d'un cheveu humain, peuvent être disposés sous différentes formes cristallines selon la façon dont les sphères sont liées les unes aux autres. Chaque colloïde se fixe à un autre à l'aide de brins d'ADN collés aux surfaces des colloïdes qui fonctionnent comme une sorte de velcro moléculaire. Lorsque des colloïdes entrent en collision dans un bain liquide, les accrocs d'ADN et les colloïdes sont liés. Selon l'endroit où l'ADN est attaché au colloïde, ils peuvent créer spontanément des structures complexes.

Ce processus a été utilisé pour créer des chaînes de colloïdes et même des colloïdes dans une formation cubique. Mais ces structures n'ont pas produit le Saint Graal de la photonique - une bande interdite pour la lumière visible. Tout comme un semi-conducteur filtre les électrons d'un circuit, une bande interdite filtre certaines longueurs d'onde de la lumière. Le filtrage de la lumière de cette manière peut être réalisé de manière fiable par des colloïdes s'ils sont disposés en losange, un procédé jugé trop difficile et coûteux à réaliser à l'échelle commerciale.

"Il y a eu un grand désir parmi les ingénieurs de faire une structure en diamant, " a déclaré Pine. " La plupart des chercheurs avaient abandonné, pour vous dire la vérité, nous sommes peut-être le seul groupe au monde à y travailler encore. Je pense donc que la publication de l'article sera une surprise pour la communauté."

Les enquêteurs, dont Etienne Ducrot, un ancien post-doctorant à NYU Tandon, actuellement au Centre de Recherche Paul Pascal - CNRS, Pessac, La France; et Gi-Ra Yi de l'Université Sungkyunkwan, Suwon, Corée du Sud, ont découvert qu'ils pouvaient utiliser un mécanisme de verrouillage stérique qui produirait spontanément les liaisons décalées nécessaires pour rendre cette structure possible. Lorsque ces colloïdes pyramidaux se sont rapprochés, ils se sont liés dans l'orientation nécessaire pour générer une formation de diamant. Plutôt que de passer par le processus laborieux et coûteux de construction de ces structures à l'aide de nanomachines, ce mécanisme permet aux colloïdes de se structurer sans intervention extérieure. Par ailleurs, les structures diamantées sont stables, même lorsque le liquide dans lequel ils se forment est éliminé.

La découverte a été faite parce qu'Il, un étudiant diplômé à NYU Tandon à l'époque, remarqua une caractéristique inhabituelle des colloïdes qu'il synthétisait dans une formation pyramidale. Lui et ses collègues ont dessiné toutes les manières dont ces structures pourraient être liées. Lorsqu'ils tombaient sur une structure particulière interconnectée, ils ont réalisé qu'ils avaient trouvé la bonne méthode. "Après avoir créé tous ces modèles, nous avons vu tout de suite que nous avions créé des diamants, " a-t-il dit.

« La démonstration tant attendue du Dr Pine des premiers réseaux de diamants colloïdaux auto-assemblés ouvrira de nouvelles opportunités de recherche et de développement pour d'importantes technologies du ministère de la Défense qui pourraient bénéficier des cristaux photoniques 3D, " a déclaré le Dr Evan Runnerstrom, gestionnaire de programme, Bureau de recherche de l'armée (ARO), un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine.

Il a expliqué que les futures avancées potentielles incluent des applications pour les lasers à haute efficacité avec un poids et des demandes d'énergie réduits pour des capteurs de précision et des systèmes d'énergie dirigée; et un contrôle précis de la lumière pour les circuits photoniques intégrés 3D ou la gestion des signatures optiques.

« Je suis ravi de ce résultat car il illustre à merveille un objectif central du programme de conception de matériaux d'ARO :soutenir les une recherche à haut rendement qui ouvre des voies ascendantes pour créer des matériaux extraordinaires qui étaient auparavant impossibles à fabriquer. »

L'équipe, qui comprend également John Gales, un étudiant diplômé en physique à NYU, et Zhe Gong, un post-doctorat à l'Université de Pennsylvanie, ancien étudiant diplômé en chimie à NYU, sont maintenant concentrés sur la façon dont ces diamants colloïdaux peuvent être utilisés dans un cadre pratique. Ils créent déjà des matériaux utilisant leurs nouvelles structures capables de filtrer les longueurs d'onde optiques afin de prouver leur utilité dans les technologies futures.