El diamante coloidal ha sido un sueño de los investigadores desde la década de 1990. Estas estructuras, formaciones estables y autoensambladas de materiales minúsculos, tienen el potencial de generar ondas de luz tan útiles como los electrones en la computación, y son prometedoras para un anfitrión.de otras aplicaciones. Pero aunque la idea de los diamantes coloidales se desarrolló hace décadas, nadie pudo producir las estructuras de manera confiable. Hasta ahora.
Investigadores dirigidos por David Pine, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería Tandon de la NYU y profesor de física en la NYU, han ideado un nuevo proceso para el autoensamblaje confiable de coloides en una formación de diamante que podría conducir a, fabricación escalable de tales estructuras. El descubrimiento, detallado en "Colloidal Diamond", que aparece en la edición del 24 de septiembre de Naturaleza , podría abrir la puerta a circuitos ópticos altamente eficientes que conduzcan a avances en computadoras ópticas y láseres, filtros de luz que son más confiables y más baratos de producir que nunca, y mucho más.
Pine y sus colegas, incluido el autor principal Mingxin He, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la NYU, y el autor correspondiente Stefano Sacanna, profesor asociado de química en la NYU, han estado estudiando coloides y las posibles formas en que se pueden estructurar paraEstos materiales, formados por esferas cientos de veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano, pueden disponerse en diferentes formas cristalinas dependiendo de cómo las esferas estén unidas entre sí. Cada coloide se adhiere a otro usando hebras de ADN pegadas asuperficies de los coloides que funcionan como una especie de velcro molecular. Cuando los coloides chocan entre sí en un baño líquido, el ADN se engancha y los coloides se unen. Dependiendo de dónde se adhiera el ADN al coloide, pueden crear espontáneamente estructuras complejas.
Este proceso se ha utilizado para crear cadenas de coloides e incluso coloides en una formación cúbica. Pero estas estructuras no produjeron el Santo Grial de la fotónica, una banda prohibida para la luz visible. Al igual que un semiconductor filtra los electrones en un circuito, una banda prohibida filtra ciertas longitudes de onda de luz. Filtrar la luz de esta manera puede lograrse de manera confiable mediante coloides si están dispuestos en una formación de diamante, un proceso que se considera demasiado difícil y costoso de realizar a escala comercial.
"Ha habido un gran deseo entre los ingenieros de hacer una estructura de diamante", dijo Pine. "La mayoría de los investigadores se habían rendido, a decir verdad, es posible que seamos el único grupo en el mundo que todavía está trabajando enesto. Así que creo que la publicación del artículo será una sorpresa para la comunidad ".
Los investigadores, incluido Etienne Ducrot, un ex postdoctorado en NYU Tandon, ahora en el Centre de Recherche Paul Pascal - CNRS, Pessac, Francia; y Gi-Ra Yi de la Universidad Sungkyunkwan, Suwon, Corea del Sur, descubrieron que podíanutilizar un mecanismo de enclavamiento estérico que produciría espontáneamente los enlaces escalonados necesarios para hacer posible esta estructura. Cuando estos coloides piramidales se acercaron, se enlazaron en la orientación necesaria para generar una formación de diamante. En lugar de pasar por el laborioso y costoso proceso de construcciónEstas estructuras mediante el uso de nanomáquinas, este mecanismo permite que los coloides se estructuran sin necesidad de interferencia externa. Además, las estructuras de diamante son estables, incluso cuando se elimina el líquido en el que se forman.
El descubrimiento se hizo porque Él, un estudiante de posgrado de la Universidad de Nueva York Tandon en ese momento, notó una característica inusual de los coloides que estaba sintetizando en una formación piramidal. Él y sus colegas describieron todas las formas en que estas estructuras podrían estar vinculadas.Cuando se encontraron con una estructura interconectada en particular, se dieron cuenta de que habían dado con el método adecuado. "Después de crear todos estos modelos, vimos inmediatamente que habíamos creado diamantes", dijo He.
"La ansiada demostración del Dr. Pine de las primeras celosías de diamantes coloidales autoensambladas abrirá nuevas oportunidades de investigación y desarrollo para importantes tecnologías del Departamento de Defensa que podrían beneficiarse de los cristales fotónicos 3D", dijo el Dr. Evan Runnerstrom, gerente del programa,Oficina de Investigación del Ejército ARO, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.
Explicó que los posibles avances futuros incluyen aplicaciones para láseres de alta eficiencia con demandas de energía y peso reducidas para sensores de precisión y sistemas de energía dirigida; y control preciso de la luz para circuitos fotónicos integrados 3D o gestión de firmas ópticas.
"Estoy encantado con este resultado porque ilustra maravillosamente un objetivo central del Programa de Diseño de Materiales de ARO: respaldar la investigación de alto riesgo y alta recompensa que desbloquea rutas ascendentes para crear materiales extraordinarios que antes eran imposibles de fabricar."
El equipo, que también incluye a John Gales, un estudiante graduado en física en la NYU, y Zhe Gong, un postdoctorado en la Universidad de Pensilvania, ex estudiante graduado en química en la NYU, ahora están enfocados en ver cómo estos diamantes coloidales puedenSe puede utilizar en un entorno práctico. Ya están creando materiales utilizando sus nuevas estructuras que pueden filtrar longitudes de onda ópticas para demostrar su utilidad en tecnologías futuras.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Con el número de premio W911NF-17-1-0328. La Fundación Nacional de Ciencias proporcionó fondos adicionales con el número de premio DMR-1610788.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería NYU Tandon . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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