211service.com
Goedkope, zelfassemblerende optica
Onderzoekers van de University of California, Berkeley, hebben deeltjes op nanoschaal gemaakt die zichzelf kunnen assembleren tot verschillende optische apparaten. Door te bepalen hoe dicht de kleine zilverdeeltjes zichzelf assembleren, kunnen de onderzoekers verschillende soorten apparaten maken, waaronder fotonische kristallen. De zelfassemblerende materialen konden goedkoop en op grote schaal worden gemaakt. Als gevolg hiervan zouden de zilveren nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om metamaterialen, kleurveranderende verven, componenten voor optische computers en ultragevoelige chemische sensoren te maken, naast vele andere mogelijke toepassingen.
Lichte trucs: Deze cuvette bevat een oplossing van zilveren nanodeeltjes die zichzelf assembleren tot een zogenaamd plasmonisch kristal waarvan de optische eigenschappen sterk afhankelijk zijn van de ruimte tussen de deeltjes. Bovenaan staan de nanodeeltjes relatief ver uit elkaar. Op de bodem van de cuvet zijn de nanodeeltjes dicht opeengepakt.
Geleid door Peidong Yang , een professor in de chemie aan Berkeley, hebben de onderzoekers aangetoond dat ze de nanodeeltjes kunnen gebruiken om de gevoeligheid van arseendetectie met een orde van grootte te verhogen. Ze maakten ook een zeer robuust soort fotonisch kristal, een plasmonisch kristal. Deze nieuwe structuren zijn vergelijkbaar met fotonische kristallen, maar beter, zegt Peter Nordlander , een professor in de natuurkunde aan de Rice University, die niet bij het werk betrokken was. Fotonische kristallen laten sommige golflengten van licht door terwijl ze andere uitfilteren. Ze worden commercieel gebruikt om lenzen en spiegels te coaten en in optische vezels; ze kunnen ook worden gebruikt in optische computers.
De zilveren nanodeeltjes waaruit de structuren van Yang bestaan, zijn octaëders met zijden van ongeveer 150 nanometer; ze zijn zeer regelmatig van vorm en grootte. Kristalstructuren die uit deze nanodeeltjes bestaan, kunnen worden gemaakt wanneer de deeltjes eenvoudig in een reageerbuis gevuld met water worden geplaatst en samen worden verpakt. Als het water verdampt, blijft er een kristalstructuur achter.
Yang zegt dat de eenvoud van het proces van zijn groep belangrijk is. De meeste nanogestructureerde materialen worden van boven naar beneden gemaakt met behulp van lithografie, waardoor ze moeilijk goedkoop en op grote schaal te produceren zijn. Daarentegen worden de deeltjes van Yang in oplossing gekweekt. En de meeste zelf-geassembleerde structuren bestaan uit relatief kleine deeltjes, zegt Paul Braun , een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champagne. Grotere deeltjes zoals die gebruikt worden door de groep van Yang hebben betere optische eigenschappen, zegt hij. Dit is het eerste artikel dat de hoogwaardige zelfassemblage van metaaldeeltjes [van deze grootte] demonstreert, zegt het werk van Braun van Yang, dat werd gepubliceerd in Nano-letters .
Wanneer de zilveren nanodeeltjes losjes zijn gepakt, gedragen de structuren zich als fotonische kristallen, waardoor sommige golflengten van licht zich kunnen voortplanten en andere stoppen. Wanneer de nanodeeltjes dicht op elkaar zijn gepakt, krijgen de structuren geheel nieuwe optische eigenschappen en gedragen ze zich als zogenaamde plasmonische kristallen. Aan de randen van de zilverdeeltjes worden golven van oppervlakte-energie, plasmonen genoemd, geconcentreerd. Net zoals fotonische kristallen sommige fotonen doorlaten terwijl ze andere beperken, regelen de nieuwe kristallen de stroom van de energie in licht in de vorm van plasmonen. Nordlander zegt dat dit fenomeen de Berkeley-structuren in staat stelt om veel sterker met licht te interageren dan traditionele fotonische kristallen. Daarom zouden de structuren volgens hem nog meer toepassingen moeten hebben dan fotonische kristallen.
Kleine tegels: Zilveren octaëders waarvan de zijkanten ongeveer 150 nanometer groot zijn, pakken samen wanneer ze in water worden gesuspendeerd. De optische eigenschappen van de resulterende kristallen zijn sterk afhankelijk van de ruimte tussen de deeltjes.
Braun zegt dat een opwindende toepassing die mogelijk is vanwege het goedkope zelfassemblageproces, is dat de Berkeley-materialen kunnen worden gebruikt om afstembare coatings te maken die van kleur veranderen afhankelijk van de afstand tussen de zilverdeeltjes. Dezelfde techniek kan worden gebruikt om materialen te maken die kunnen veranderen hoe sterk ze bepaalde golflengten van licht doorlaten. Deze coatings kunnen dienen als camouflage voor militaire voertuigen, lenscoatings die hun transmissie kunnen variëren en coatings voor efficiëntere zonnecellen. In tegenstelling tot organische kleurstoffen die voor deze doeleinden worden ontwikkeld, zegt Braun, zullen de zilveren nanodeeltjes in de loop van de tijd waarschijnlijk beter standhouden.
De bouwstenen van Berkeley kunnen ook worden gebruikt om nieuwe metamaterialen te maken voor verhulling en beeldvorming met superresolutie, zegt Nicholas Fang , een professor in mechanische wetenschappen en techniek aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champagne. De meeste metamaterialen, of ze nu zijn ontworpen om licht te concentreren in nieuwe microscopen of om licht rond objecten af te buigen voor onzichtbaarheidsmantels, hebben schaalbaarheidsproblemen. De bouwstenen van Yang, zegt Fang, zullen helpen de grotere uitdagingen van de productie te overwinnen.
Een toepassing die Yang al heeft aangetoond, is het gebruik van plasmonische kristallen die zijn opgebouwd uit zijn bouwstenen om de gevoeligheid van een chemische detectietechniek genaamd Raman-spectroscopie te vergroten. De groep van Yang testte grondwater waarvan bekend was dat het verontreinigd was met arseen en ontdekte dat de kristallen de detectiegevoeligheid verhoogden van tien tot één deel per miljard - de meest gevoelige detectie van arseen die tot nu toe is uitgevoerd. Yang zegt dat hij hoopt dat de kristallen zullen worden verwerkt in goedkope, draagbare chemische sensoren voor gebruik op plaatsen in India en China, waar het drinkwater arseen bevat op ongezonde, maar voorheen ondetecteerbare niveaus.