Imaginez créer de nouveaux appareils dotés de propriétés optiques étonnantes et exotiques que l'on ne trouve pas dans la nature - en évaporant simplement une gouttelette de particules sur une surface.

En construisant chimiquement des amas de nanosphères à partir d'un liquide, une équipe de chercheurs de Harvard, en collaboration avec des scientifiques de l'Université Rice, l'Université du Texas à Austin, et l'Université de Houston, a développé juste cela.

La découverte, publié dans le numéro du 28 mai de Science , présente des dispositifs évolutifs simples qui présentent des propriétés optiques personnalisables adaptées à des applications allant des capteurs et détecteurs hautement sensibles aux capes d'invisibilité. En utilisant des particules constituées d'enveloppes métalliques et isolantes concentriques, Jonathan Fan, un étudiant diplômé de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), son co-auteur principal Federico Capasso, Robert L. Wallace professeur de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS, et Vinothan Manoharan, Professeur agrégé de génie chimique et de physique à SEAS et au département de physique de Harvard, conçu une approche ascendante, approche d'auto-assemblage pour relever le défi de conception.

"Un défi de longue date en ingénierie optique a été de trouver des moyens de créer des structures de taille beaucoup plus petite que la longueur d'onde qui présentent les propriétés souhaitées et intéressantes, " dit Fan. " Aux fréquences visibles, ces structures doivent être à l'échelle nanométrique.

En revanche, la plupart des dispositifs nanométriques sont fabriqués à l'aide d'approches descendantes, semblable à la façon dont les puces informatiques sont fabriquées. Les plus petites tailles qui peuvent être réalisées par de telles techniques sont sévèrement contraintes par les limites intrinsèques du processus de fabrication, telles que la longueur d'onde de la lumière utilisée dans le processus. De plus, ces méthodes sont limitées aux géométries planes, sont chers, et nécessitent des infrastructures intenses telles que des salles blanches.

"Avec notre approche ascendante, nous imitons la façon dont la nature crée des structures innovantes, qui présentent des propriétés extrêmement utiles, " explique Capasso. " Nos nanoclusters se comportent comme de minuscules circuits optiques et pourraient être la base de nouvelles technologies telles que les détecteurs de molécules uniques, des sondes efficaces et biologiquement compatibles en thérapeutique anticancéreuse, et des pincettes optiques pour manipuler et trier des particules de taille nanométrique. De plus, le processus de fabrication est beaucoup plus simple et moins cher à réaliser."

La méthode d'auto-assemblage du chercheur ne nécessite rien de plus qu'un peu de mélange et de séchage. Pour former les grappes, les particules sont d'abord enrobées d'un polymère, et une goutte d'entre eux est ensuite évaporée sur une surface hydrofuge. En cours d'évaporation, les particules se regroupent en petits amas. En utilisant des espaceurs polymères pour séparer les nanoparticules, les chercheurs ont pu atteindre de manière contrôlée un écart de deux nanomètres entre les particules, une résolution bien meilleure que ne le permettent les méthodes descendantes traditionnelles.

Deux types de circuits optiques résultants sont d'un intérêt considérable. Un trimère, comprenant trois particules équidistantes, peut supporter une réponse magnétique, une propriété essentielle des capes d'invisibilité et des matériaux qui présentent un indice de réfraction négatif.

« En substance, le trimère agit comme un résonateur nanométrique qui peut supporter une boucle de courant circulant aux fréquences visibles et proche infrarouge, " dit Fan. " Cette structure fonctionne comme un aimant nanométrique à des fréquences optiques, quelque chose que les matériaux naturels ne peuvent pas faire."

Heptamères, ou emballé sept structures de particules, ne présentent pratiquement aucune diffusion pour une gamme étroite de couleurs ou de longueurs d'onde bien définies lorsqu'elles sont éclairées par une lumière blanche. Ces fortes baisses, connues sous le nom de résonances de Fano, résultent de l'interférence de deux modes d'oscillations électroniques, un mode "lumineux" et un mode "sombre" non optiquement actif, dans la nanoparticule.

"Les heptamères sont très efficaces pour créer des champs électriques extrêmement intenses localisés dans des régions de taille nanométrique où les molécules et les particules nanométriques peuvent être piégées, manipulé, et détecté. La détection moléculaire s'appuierait sur la détection de décalages dans les creux des spectres étroits, " dit Capasso.

Finalement, toutes les conceptions de circuits auto-assemblés peuvent être facilement réglées en faisant varier la géométrie, comment les particules sont séparées, et l'environnement chimique. En bref, la nouvelle méthode permet une "boîte à outils" pour manipuler des "molécules artificielles" de manière à créer des propriétés optiques à volonté, une caractéristique que les chercheurs attendent est largement généralisable à une foule d'autres caractéristiques.

Regarder vers l'avant, les chercheurs prévoient de travailler pour obtenir des rendements de grappes plus élevés et espèrent assembler des structures tridimensionnelles à l'échelle macro, un « Saint Graal » de la science des matériaux.

« Nous sommes enthousiasmés par l'évolutivité potentielle de la méthode, " dit Manoharan. " Les sphères sont les formes les plus faciles à assembler car elles peuvent être facilement emballées ensemble. Alors que nous n'avons démontré ici que des amas de particules planaires, notre méthode peut être étendue aux structures tridimensionnelles, quelque chose qu'une approche descendante aurait du mal à faire."