Couche ultra-mince de noyaux d'hydrogel sphériques avec des particules d'or transférées sur un substrat de verre. Crédit :HHU / Christoph Kawan
Des chercheurs dirigés par le professeur Matthias Karg de l'Institut de chimie physique rapportent une technique simple pour développer des couches de particules hautement ordonnées. Le groupe a travaillé avec de minuscules, billes de polymère sphériques déformables avec une structure de type hydrogel. Les hydrogels sont gonflés par l'eau, réseaux tridimensionnels. De telles structures sont utilisées comme super-absorbants dans des produits tels que les couches pour bébés en raison de leur capacité à absorber de grandes quantités de liquides.
À l'intérieur de ces billes d'hydrogel se trouvent de minuscules particules d'or ou d'argent de quelques nanomètres seulement, que l'équipe de Karg synthétise à HHU en utilisant des sels métalliques dans un processus de réduction. "Nous pouvons ajuster très précisément la taille des particules d'or car les coquilles d'hydrogel sont perméables aux sels métalliques dissous, permettant une surcroissance successive des noyaux d'or." La structure de ces particules noyau-coquille peut être grossièrement comparée à celle d'une cerise, dans lequel un noyau dur est entouré de pulpe molle.
Les chercheurs basés à Düsseldorf ont utilisé une solution diluée de ces billes d'hydrogel pour produire de fines monocouches. Ils ont appliqué les perles à une surface d'eau, où un chatoiement, couche hautement ordonnée auto-assemblée. Les chercheurs ont transféré cette couche de la surface de l'eau sur des substrats de verre; ce transfert fait chatoyer le substrat verrier.
L'observation d'une telle couche au microscope électronique révèle une réseau de particules ordonné hexagonalement. "Ce sont les particules d'or dans leurs coquilles, " explique la doctorante Kirsten Volk, "et on voit qu'ils sont rangés en un seul, couche hautement ordonnée." Les particules d'or déterminent la couleur de la couche en réfléchissant la lumière visible avec certaines longueurs d'onde, qui interfère et crée ainsi l'impression d'une couleur changeante lorsqu'elle est vue sous différents angles.
Production de la structure en couches, (à partir de la gauche) :d'abord, une solution contenant les noyaux d'hydrogel sphériques avec les particules d'or incluses est soigneusement appliquée à une surface d'eau. Cela forme rapidement un ultra-mince, couche chatoyante qui peut ensuite être décollée à l'aide d'un substrat de verre. Crédit :HHU / Christoph Kawan
« Ces couches minces sont très intéressantes pour l'optoélectronique, c'est-à-dire le transfert et le traitement des données à l'aide de la lumière. Il peut également être possible de les utiliser pour construire des lasers miniaturisés, " explique le professeur Karg. Ces nanolasers ne mesurent que quelques nanomètres, constituant ainsi une technologie clé dans le domaine de la nanophotonique.
Dans leur étude publiée dans Matériaux et interfaces appliqués ACS , les chercheurs basés à Düsseldorf ont surmonté un obstacle majeur sur la voie de ces nanolasers. Ils ont créé des résonances collectives dans les particules d'or par la lumière incidente. Cela signifie que les particules d'or ne sont pas excitées individuellement; au lieu, toutes les particules excitées sont en résonance. Cette résonance collective est le prérequis de base pour la construction des lasers. Les couches de particules sont également très minces.
Pour les applications optoélectroniques et les nanolasers, les modes de résonance devront être encore amplifiés dans les couches minces. Le professeur Karg dit, "Prochain, on va essayer d'amplifier encore la résonance par dopage avec des émetteurs. À long terme, cela pourrait également nous permettre de réaliser des nanolasers électriques. »
