Nanodeeltjes voeren ultralangeafstandscommunicatie uit, hebben ‘geen tegenhanger of analoog van aard’

Chemici van de Northwestern University hebben een nieuw fotonisch rooster ontworpen met eigenschappen die nog nooit eerder in de natuur zijn waargenomen. In vaste materialen moeten atomen op gelijke afstand van elkaar en dicht genoeg bij elkaar staan ​​om effectief te kunnen interageren. Nu laten nieuwe architecturen op basis van gestapelde roosters van nanodeeltjes interacties zien over ongekend grote afstanden.

Wanneer het ene rooster op het andere wordt gestapeld, kunnen de nanodeeltjes nog steeds met elkaar interageren, zelfs als de verticale scheiding tussen deeltjes 1000 keer de afstand van de deeltjes-tot-deeltjesafstand in het horizontale vlak is.

Omdat de nanodeeltjes over ultralange afstanden kunnen communiceren, biedt de gestapelde architectuur potentiële toepassingen voor teledetectie en detectie.

De studie werd deze week (13 februari) gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

“Dit type langeafstandskoppeling is nog niet eerder waargenomen voor gestapeld periodiek materiaal”, zegt Teri Odom, een senior auteur van de studie. “Andere elektronische of fotonische gestapelde lagen zijn verticaal gescheiden door een afstand die vergelijkbaar is met de horizontale periodiciteit van de bouweenheid in de enkele laag. Dit is een geheel nieuwe klasse van technische materialen die geen tegenhanger of analoog van aard hebben.”

Odom, een nanotechnologie-expert, is voorzitter van de scheikundeafdeling van Northwestern en de Joan Hustling Madden en William H. Madden Jr. hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences. Ze is ook lid van het International Institute of Nanotechnology en het Chemistry of Life Processes Institute. Noordwestelijke co-auteurs zijn onder meer George Schatz, de Charles E. en Emma H. ​​Morrison hoogleraar scheikunde aan Weinberg.

Om het nieuwe materiaal te ontwerpen, lieten Odom en haar team zich inspireren door moiré-patronen, een geometrisch ontwerp gecreëerd door twee patronen van identieke periodieke roosters.

De onderzoekers vormden eerst een patroon van fotonische roosters bestaande uit tweedimensionale reeksen nanodeeltjes met scheidingen die horizontale koppeling bevorderden, wat resulteerde in enkellaagse optische materialen. Vervolgens stapelden ze identieke nanodeeltjesroosters op elkaar om tweelaagse en meerlagige roosters te creëren met nieuwe optische eigenschappen die niet toegankelijk zijn vanuit één laag alleen.

“We hebben aangetoond dat deze gestapelde nanodeeltjesroosters over ultralange afstanden kunnen interageren door organische kleurstofmoleculen rond slechts één van de nanodeeltjesroosters in de gestapelde structuur te plaatsen, ” zei Odom. “Vervolgens hebben we de kleurstof optisch opgewonden.”

De onderzoekers ontdekten dat ze door het ene rooster ten opzichte van het andere te roteren, de interactie tussen de patronen en het licht konden veranderen. Afhankelijk van de draaihoek kan het gestapelde materiaal functioneren als een nanolaser met emissie onder verschillende hoeken. Dit inzicht opent nieuwe benaderingen voor het ontwerpen van nanolasereigenschappen. De richting en patronen van de moiré-laseremissie kunnen in realtime worden gecontroleerd.

“Dit kan worden gebruikt om nieuwe soorten biomedische sensoren te maken”, zegt Jun Guan, de eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Odom. “Deze apparaten kunnen worden ontworpen om te reageren op veranderingen in het lichaam en geven belangrijke informatie over de gezondheid van een patiënt. Een kleine verandering in de chemicaliën in de bloedomgeving kan veranderingen veroorzaken in de manier waarop licht rond de fotonische roosters buigt. Deze variatie zal worden vergroot door het moirépatroon en uitgelezen door de corresponderende laseremissiehoeken.”