Il y a plus d'une décennie, les théoriciens ont prédit la possibilité d'une nanolentille, une chaîne de trois sphères à l'échelle nanométrique qui concentrerait la lumière entrante dans un point beaucoup plus petit que ce qu'il est possible avec la microscopie conventionnelle. Un tel dispositif permettrait une imagerie ou une détection biologique à très haute résolution. Mais les scientifiques avaient été incapables de construire et d'organiser de nombreuses nanolentilles sur une grande surface.

"C'est là que nous sommes entrés, " a déclaré Xiaoying Liu, chercheur principal à l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago. Liu et Paul Nealey, le professeur Dougan en génie moléculaire, fait équipe avec des experts en nanophotonique de l'Air Force Research Laboratory et de la Florida State University pour inventer une nouvelle façon de construire des nanolentilles dans de grands réseaux en utilisant une combinaison de techniques chimiques et lithographiques.

Ils ont aligné trois nanoparticules d'or sphériques de tailles graduées dans l'arrangement de chaîne de perles prévu pour produire l'effet de focalisation. La clé, dit Liu, était le contrôle :« Nous avons placé chaque bloc de construction de nanoparticules dans exactement la position que nous voulions qu'il aille. C'est l'essence de notre technique de fabrication. »

L'équipe a décrit sa technique dans la dernière édition de Matériaux avancés . La première étape utilise les méthodes lithographiques utilisées dans la fabrication de circuits imprimés pour créer un masque chimique. Le masque de Liu et Nealey laisse exposé un motif de trois points de taille décroissante sur un substrat tel que le silicium ou le verre qui n'absorbe pas les nanoparticules d'or.

Motifs délicats

La lithographie permet des motifs extrêmement précis et délicats, mais il ne peut pas produire de structures tridimensionnelles. Les scientifiques ont donc utilisé la chimie pour construire sur le substrat à motifs en trois dimensions. Ils ont traité les taches avec des chaînes polymères qui ont ensuite été attachées au substrat par des liaisons chimiques.

"Le contraste chimique entre les trois taches et le fond fait que les particules d'or ne vont qu'aux taches, " a déclaré Liu. Pour que chacune des trois tailles de nanosphères n'adhère qu'à son propre endroit désigné, les scientifiques ont joué avec la force de l'interaction chimique entre la tache et la sphère. « Nous contrôlons la taille des différentes zones du schéma chimique, et nous contrôlons le potentiel d'interaction de la chimie de ces zones avec les nanoparticules, " a déclaré Nealey.

Seul le plus gros point possède la force nécessaire pour attirer et retenir la plus grosse particule; l'interaction de la particule avec le milieu et les petites taches est trop faible.

Lorsque les grosses sphères sont adsorbées, les scientifiques utilisent la même astuce pour mettre les sphères de taille moyenne sur les taches de taille moyenne, et enfin passer au plus petit.

"C'est comme l'histoire des Trois Ours, " a déclaré Nealey. " Nous pouvons en mettre de gros sur les gros spots, mais ils ne colleront pas aux plus petites taches; puis placez la taille suivante sur l'emplacement moyen, mais il ne collera pas à la petite tache. Grâce à cette fabrication séquentielle, nous sommes en mesure d'arriver à ces assemblages précis de trois particules de tailles différentes à proximité les unes des autres. »

Petites séparations

Les sphères ne sont séparées que de quelques nanomètres. C'est cette petite séparation, couplé à l'ordre séquentiel des sphères de différentes tailles, qui produit l'effet de nanolentille.

"Vous obtenez cette concentration dans l'intensité de la lumière entre les nanoparticules de petite et moyenne taille, " a déclaré Nealey.

Les scientifiques explorent déjà l'utilisation de ce "point chaud" pour la détection à haute résolution par spectroscopie. "Si vous y mettez une molécule, il interagira avec la lumière focalisée, " a déclaré Liu. " Le champ amélioré à ces points chauds vous aidera à obtenir des ordres de grandeur plus forts, et cela nous donne la possibilité d'obtenir une détection ultra-sensible. Peut-être qu'en fin de compte, nous pourrons détecter des molécules uniques."

Les chercheurs prévoient également d'appliquer leur technique de fabrication à des nanoparticules d'autres formes, comme les bâtonnets et les étoiles. "La physique des particules formées différemment des sphères permet un spectre d'applications encore plus large, " a déclaré Nealey.

« Il existe un large éventail de propriétés que vous pouvez réaliser en plaçant des particules de formes asymétriques les unes à côté des autres. » La méthode aura une large application pour tout processus nécessitant un placement précis de matériaux à proximité de types de matériaux identiques ou différents. Ce sera, Nealey prédit, "faire partie de la façon dont la nanofabrication est effectuée."