Le domaine des métamatériaux consiste à fabriquer des structures qui ont des propriétés physiques que l'on ne trouve pas dans la nature. Prédire quels types de structures auraient ces caractéristiques est un défi; les fabriquer physiquement en est une autre, car ils nécessitent souvent une disposition précise des matériaux constitutifs aux plus petites échelles.

Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont maintenant mis au point un moyen de produire en masse des métamatériaux qui présentent une résonance magnétique dans les fréquences optiques. Appelées "métamolécules ressemblant à des framboises" en raison de leur forme unique, ces structures à l'échelle nanométrique pourraient être utilisées comme éléments constitutifs de métamatériaux capables de diffuser la lumière comme s'ils avaient des propriétés magnétiques, ce qui pourrait être pertinent pour les applications dans le traitement optique et la gestion du signal. Ces métamolécules ressemblant à des framboises réagissent au champ magnétique de la lumière comme une boucle de fil le fait à un aimant oscillant.

Cette capacité découle de l'arrangement précis des "drupelets" de la métamolécule ressemblant à la framboise, " qui sont composées de nanoparticules d'or. Ces druplettes doivent être aussi proches que possible sans se toucher afin de ne pas "court-circuiter" les champs électriques optiques qui les entourent. Grâce à un processus chimique soigneusement conçu qui a enduit chaque druplette d'un tensioactif isolant, l'équipe de Penn a pu espacer ces nanoparticules à une distance moyenne de seulement deux nanomètres.

Et parce que l'assemblage des druplettes de nanoparticules et de l'enrobage tensioactif peut se faire en une seule étape, de grandes quantités de ces métamolécules ressemblant à des framboises peuvent être fabriquées à la fois, plutôt que d'être minutieusement assemblés un à la fois.

La recherche a été menée par l'auteur principal Zhaoxia Qian, qui a récemment obtenu un doctorat en chimie de la Penn's School of Arts &Sciences; Nader Engheta, le professeur H. Nedwill Ramsey d'ingénierie électrique et de systèmes à la Penn's School of Engineering and Applied Science; Zahra Fakhraai, professeur adjoint de chimie à Penn Arts &Sciences; et le parc So-Jung, ancien professeur agrégé du Département de chimie, aujourd'hui professeur de chimie à l'université pour femmes Ewha de Corée du Sud. Simon Hastings, qui a récemment obtenu un doctorat en physique, et étudiant diplômé en chimie Chen Li, avec le spécialiste de recherche Brian Edwards et l'étudiante invitée de premier cycle Christine K. McGinn, à la fois en génie électrique et en génie des systèmes.

Il a été publié dans la revue ACS Nano .

Si l'on prend une boucle de fil et passe un aimant de haut en bas à travers le centre, le champ magnétique oscillant résultant entraîne des électrons autour du fil, produisant du courant électrique dans le fil. Ce principe est en jeu dans chaque générateur, qui a des aimants qui oscillent à environ 50 hertz, ou 50 fois par seconde. Mais si ce principe pouvait être étendu aux fréquences optiques, de l'ordre de 500 terahertz ? Plutôt que de produire de l'électricité, la boucle serait capable de manipuler la lumière visible.

"Il n'y a pas de matériaux connus qui ont des propriétés magnétiques dans les fréquences optiques, " dit Fahkraai. " Si vous pouviez fabriquer des structures comme celle-ci, ils pourraient être des éléments constitutifs de métamatériaux capables de diffuser la lumière comme s'ils avaient des propriétés magnétiques."

Engheta a prédit qu'une telle structure était possible en 2006, et dans les années qui ont suivi, d'autres groupes de recherche ont physiquement produit des métamatériaux qui présentent ce trait. De telles structures étaient pour la plupart des anneaux minutieusement construits de nanoparticules métalliques, espacés sur une surface plane de telle sorte que les électrons ne puissent pas réellement se déplacer entre eux.

"Parce que le métal ne se touche pas, " Engheta a dit, « les électrons ne peuvent osciller qu'à l'intérieur de particules individuelles et ne peuvent pas passer d'une nanoparticule à sa voisine. C'est ce qu'on appelle un courant de déplacement. C'est comme faire la vague dans un stade ; aucun fan ne bouge de son siège, mais la vague tourne en rond."

Une configuration de type framboise, où les nanoparticules sont regroupées sphériquement autour d'un noyau, plutôt qu'une bague, serait encore mieux, comme une section transversale de la framboise agit comme un anneau de nanoparticules, quelle que soit la direction dans laquelle le champ magnétique est appliqué. D'autres chercheurs ont commencé à passer des techniques d'assemblage mécanique à l'auto-assemblage chimique de telles structures, mais ont rencontré des obstacles.

L'approche de l'équipe Penn résout les problèmes en adoptant une approche synthétique.

"Les gens ont déjà essayé de faire ce genre de structures en solution auparavant, typiquement en assemblant des nanoparticules pré-synthétisées, " Qian a dit, « mais il est difficile d'atteindre une densité élevée de nanoparticules par cette voie ».

"Dans notre cas, " Park a dit, "Nous générons des grappes de nanoparticules étroitement emballées par une approche synthétique où la croissance et l'assemblage des nanoparticules se produisent simultanément. Un défi dans une telle approche synthétique est que les nanoparticules en croissance ont tendance à former une coque fusionnée. Dans notre méthode, nous utilisons un tensioactif spécial qui forme une fine couche moléculaire, mais étroitement protégeant, couche autour des nanoparticules, ce qui les empêche de se toucher."

La méthode synthétique de l'équipe Penn réduit une partie de la complexité inhérente à la fabrication de ces métamolécules ressemblant à des framboises.

"C'est comme faire un ragoût, " A déclaré Engheta. "Vous jetez tout dans un seul pot."

Les ingrédients du ragoût sont des sphères de polystyrène décorées de petites particules de graines d'argent, nitrate d'argent, des sels d'or et des agents réducteurs qui décomposent ces sels et permettent aux atomes d'or de former des nanoparticules. Tous ces ingrédients sont placés dans une formule de croissance contenant le tensioactif isolant, qui forme une fine couche à l'extérieur des nanoparticules d'or en croissance, en les amortissant les uns des autres.

D'autres recherches sur la chimie des tensioactifs permettront à l'équipe de réduire encore plus la distance entre les nanoparticules, pour renforcer davantage les propriétés magnétiques des métamolécules de type framboise. Ce trait est essentiel pour les capacités des structures à manipuler la lumière et donc à être utilisé dans des dispositifs optiques.

"Si vous voulez faire des inducteurs à des fréquences optiques, " Fahkraai a dit, « vous avez besoin de quelque chose qui peut répondre à des fréquences très élevées. Plus nous pouvons rapprocher les nanoparticules, plus nous pouvons rendre la diffusion de la lumière forte grâce aux effets magnétiques."