211service.com
Billig, självmonterande optik
Forskare vid University of California, Berkeley, har skapat partiklar i nanoskala som kan självmontera till olika optiska enheter. Genom att kontrollera hur tätt de små silverpartiklarna sätter sig själva, kan forskarna göra flera olika typer av enheter, inklusive fotoniska kristaller. De självmonterande materialen kunde tillverkas billigt och i stor skala. Som ett resultat kan silvernanopartiklarna användas för att tillverka metamaterial, färgskiftande färger, komponenter för optiska datorer och ultrakänsliga kemiska sensorer, bland många andra potentiella applikationer.
Lätta knep: Denna kyvett innehåller en lösning av silvernanopartiklar i processen att självmontera till en så kallad plasmonisk kristall vars optiska egenskaper är starkt beroende av utrymmet mellan partiklarna. På toppen är nanopartiklarna relativt långt ifrån varandra. I botten av kyvetten är nanopartiklarna tätt packade.
Ledd av Peidong Yang , professor i kemi vid Berkeley, har forskarna visat att de kan använda nanopartiklarna för att öka känsligheten för arsenikdetektion med en storleksordning. De gjorde också en mycket robust sorts fotonisk kristall som kallas en plasmonisk kristall. Dessa nya strukturer liknar fotoniska kristaller, men bättre, säger Peter Nordlander , professor i fysik vid Rice University, som inte var involverad i arbetet. Fotoniska kristaller tillåter vissa våglängder av ljus att passera samtidigt som de filtrerar bort andra. De används kommersiellt för att belägga linser och speglar och i optiska fibrer; de kan också användas i optiska datorer.
Silvernanopartiklarna som utgör Yangs strukturer är oktaedrar med sidor på cirka 150 nanometer; de är mycket regelbundna i form och storlek. Kristallstrukturer som består av dessa nanopartiklar kan skapas när partiklarna helt enkelt placeras i ett provrör fyllt med vatten och får packas ihop. När vattnet avdunstar finns en kristallstruktur kvar.
Yang säger att enkelheten i hans grupps process är viktig. De flesta nanostrukturerade material tillverkas uppifrån och ner med litografi, vilket gör dem svåra att tillverka billigt och i stor skala. Däremot odlas Yangs partiklar i lösning. Och de flesta självmonterade strukturer består av relativt små partiklar, säger Paul Braun , professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid University of Illinois, Urbana-Champagne. Större partiklar som de som används av Yangs grupp har bättre optiska egenskaper, säger han. Detta är det första dokumentet som visar högkvalitativ självmontering av metallpartiklar [av denna storlek], säger Braun från Yangs arbete, som publicerades i Nanobokstäver .
När silvernanopartiklarna är löst packade, beter sig strukturerna som fotoniska kristaller, vilket tillåter vissa våglängder av ljus att fortplanta sig och stoppa andra. När nanopartiklarna är tätt packade får strukturerna helt nya optiska egenskaper och beter sig som så kallade plasmoniska kristaller. Vid silverpartiklarnas kanter koncentreras ytenergivågor som kallas plasmoner. Precis som fotoniska kristaller låter vissa fotoner passera samtidigt som de begränsar andra, styr de nya kristallerna flödet av energin som finns i ljus i form av plasmoner. Nordlander säger att detta fenomen gör det möjligt för Berkeley-strukturerna att interagera med ljus mycket starkare än vad traditionella fotoniska kristaller gör. Av denna anledning, säger han, borde strukturerna ha ännu fler tillämpningar än fotoniska kristaller.
Små brickor: Silveroktaedrar vars sidor mäter cirka 150 nanometer tvärs över packas ihop när de är suspenderade i vatten. De optiska egenskaperna hos de resulterande kristallerna är starkt beroende av utrymmet mellan partiklarna.
Braun säger att en spännande applikation som är möjlig på grund av den billiga självmonteringsprocessen är att Berkeley-materialen kan användas för att göra avstämbara beläggningar som ändrar färg beroende på avståndet mellan silverpartiklarna. Samma teknik skulle kunna användas för att tillverka material som kan förändra hur starkt de sänder ut vissa våglängder av ljus. Dessa beläggningar kan fungera som kamouflage för militärfordon, linsbeläggningar som kan variera deras transmission och beläggningar för mer effektiva solceller. Till skillnad från organiska färgämnen som utvecklas för dessa ändamål, säger Braun, kommer silvernanopartiklarna förmodligen att hålla bättre med tiden.
Berkeleys byggstenar kan också användas för att göra nya metamaterial för cloaking och superupplösningsavbildning, säger Nicholas Fang , professor i mekanisk vetenskap och teknik vid University of Illinois, Urbana-Champagne. De flesta metamaterial, oavsett om de är designade för att koncentrera ljus i nya mikroskop eller avleda ljus runt föremål för osynlighetskappor, har problem med skalbarhet. Yangs byggstenar, säger Fang, kommer att hjälpa till att övervinna tillverkningens större utmaningar.
En tillämpning som Yang redan har visat är användningen av plasmoniska kristaller som består av hans byggstenar för att öka känsligheten hos en kemisk detekteringsteknik som kallas Raman-spektroskopi. Yangs grupp testade grundvatten som är känt för att vara förorenat med arsenik och fann att kristallerna ökade känsligheten för detektering från tio till en del per miljard – den mest känsliga detekteringen av arsenik som hittills gjorts. Yang säger att han hoppas att kristallerna kommer att införlivas i billiga, bärbara kemiska sensorer för användning på platser i Indien och Kina, där dricksvattnet innehåller arsenik i ohälsosamma, men tidigare omöjliga, nivåer.