Colloïden worden creatief om de weg vrij te maken voor de volgende generatie fotonica

Wetenschappers hebben een manier bedacht om een ​​complexe structuur te fabriceren, die voorheen alleen in de natuur te vinden was, om nieuwe manieren te openen voor het manipuleren en beheersen van licht.

De structuur, die van nature voorkomt in de vleugelschubben van sommige vlindersoorten, kan volgens een nieuwe studie van onderzoekers van de Universiteit van Birmingham functioneren als een fotonisch kristal. Het kan worden gebruikt om licht in het zichtbare bereik van het spectrum te regelen, voor toepassingen voor lasers, sensoren en ook apparaten voor het oogsten van zonne-energie.

Hun computationele studie, gepubliceerd in Geavanceerde materialentoont aan dat de complexe gyroïde structuur zelf kan worden samengesteld uit designer colloïdale deeltjes in het bereik van honderden nanometers.

De gyroïde is typisch bekend als een gebogen oppervlak, dat de ruimte verdeelt in twee met elkaar verweven kanalen. Elk van deze kanalen kan een netwerkweergave hebben van gekoppelde hoekpunten met drievoudige connectiviteit en kurkentrekkers door de ruimte in een bepaalde richting, rechts of links. Deze draai maakt elk netwerk chiraal – de spiegelbeelden kunnen niet op elkaar worden gelegd, zoals linker- en rechterhanden. Dit is belangrijk omdat de chiraliteit extra optische eigenschappen geeft aan een fotonisch kristal.

De chiraliteit gaat echter verloren wanneer de twee netwerken van tegengestelde handigheid samen zijn in de vorm van de dubbele gyroïde structuur. Dit komt voor in bepaalde synthetische systemen.

In dit werk presenteert het team van onderzoekers eerst een enkele gyroïde netwerkstructuur opgebouwd uit colloïdale bollen als een doelwit voor zelfassemblage – de manier waarop de natuur architecturen bouwt – voordat de ontwerpprincipes worden vastgesteld voor het fabriceren van deze chirale kristallijne structuur in computersimulaties.

Dr. Angela Demetriadou, een co-auteur van de School of Physics and Astronomy, heeft gezegd: “Dit is een nieuwe en opwindende manier om nanofotonische media te fabriceren met uitzonderlijke en op maat gemaakte chiro-optische eigenschappen, met immense controle over hun eigenschappen.”

Tot nu toe lag de focus op zelfassemblerende colloïdale fotonische kristallen vooral op diamantstructuren. Zelfassemblage van colloïdale diamant brengt een aantal uitdagingen met zich mee, waaronder de vereiste om de kubische vorm te selecteren boven zijn zeshoekige tegenhanger voor hun praktische toepassingen als fotonische kristallen in optische apparaten.

De nieuwe benadering die in dit werk is vastgesteld, omvat fragmentarische bollen, die een door een ontwerper versierd oppervlak hebben om de informatie van de doelstructuur te coderen – de enkele colloïdale gyroïde. De versierde delen van het oppervlak zijn kleverig om de deeltjes samen te brengen om de netwerkstructuur te vormen. Bovendien laat het werk zien dat de enkele colloïdale gyroïde ook intrigerende optische eigenschappen heeft vanwege zijn chiraliteit, die ontbreekt in een diamantstructuur.

Dr. Dwaipayan Chakrabarti, de overeenkomstige auteur van de School of Chemistry aan de Universiteit van Birmingham, heeft gezegd: “Voor zover ons bekend is dit het eerste rapport van directe zelfassemblage van enkelvoudige colloïdale gyroïdestructuren uit designerbouwstenen. We hopen dat onze nieuwe aanpak verder onderzoek op het gebied van colloïdale zelfassemblage zal stimuleren, met name experimentele inspanningen om voort te bouwen op deze opwindende ontwikkeling.”

Deze opwinding wordt herhaald door professor Stefano Sacanna, een professor aan de New York University met toonaangevende expertise in de synthese van colloïden en zelfassemblage van nieuwe materialen, die niet betrokken is bij deze studie. Hij heeft gezegd: “Met hun werk brengen Chakrabarti en collega’s een opwindend nieuw doelwit onder de aandacht van de gemeenschap van colloïdale zelfassemblage. Door alleen bollen te gebruiken met een slim fragmentarisch ontwerp, effenen hun bottom-up routes naar colloïdale gyroïde structuren de weg voor een nieuwe generatie experimenteel haalbare fotonische kristallen.”