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Ottiche economiche e autoassemblanti
I ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno creato particelle su nanoscala che possono autoassemblarsi in vari dispositivi ottici. Controllando la densità di assemblaggio delle minuscole particelle d'argento, i ricercatori possono realizzare diversi tipi di dispositivi, inclusi i cristalli fotonici. I materiali autoassemblanti potrebbero essere realizzati a basso costo e su larga scala. Di conseguenza, le nanoparticelle d'argento potrebbero essere utilizzate per creare metamateriali, vernici che cambiano colore, componenti per computer ottici e sensori chimici ultrasensibili, tra molte altre potenziali applicazioni.
Trucchi leggeri: Questa cuvetta contiene una soluzione di nanoparticelle d'argento in fase di autoassemblaggio in un cosiddetto cristallo plasmonico le cui proprietà ottiche dipendono fortemente dallo spazio tra le particelle. Nella parte superiore, le nanoparticelle sono relativamente distanti. Nella parte inferiore della cuvetta, le nanoparticelle sono densamente impacchettate.
Guidato da Peidong Yang , professore di chimica a Berkeley, i ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare le nanoparticelle per aumentare la sensibilità di rilevamento dell'arsenico di un ordine di grandezza. Hanno anche realizzato un tipo molto robusto di cristallo fotonico chiamato cristallo plasmonico. Queste nuove strutture sono simili ai cristalli fotonici, ma migliori, dice Peter Nordlander , un professore di fisica alla Rice University, che non era coinvolto nel lavoro. I cristalli fotonici consentono il passaggio di alcune lunghezze d'onda della luce mentre ne filtrano altre. Sono usati commercialmente per rivestire lenti e specchi e nelle fibre ottiche; potrebbero essere utilizzati anche nei computer ottici.
Le nanoparticelle d'argento che compongono le strutture di Yang sono ottaedri con lati di circa 150 nanometri; sono molto regolari per forma e dimensioni. Le strutture cristalline costituite da queste nanoparticelle possono essere realizzate quando le particelle vengono semplicemente poste in una provetta riempita d'acqua e lasciate impacchettare insieme. Quando l'acqua evapora, rimane una struttura cristallina.
Yang dice che la semplicità del processo del suo gruppo è importante. La maggior parte dei materiali nanostrutturati sono realizzati dall'alto verso il basso utilizzando la litografia, il che li rende difficili da produrre a basso costo e su larga scala. Al contrario, le particelle di Yang vengono coltivate in soluzione. E la maggior parte delle strutture autoassemblate sono costituite da particelle relativamente piccole, afferma Paul Braun , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois, Urbana-Champagne. Le particelle più grandi come quelle usate dal gruppo di Yang hanno proprietà ottiche migliori, dice. Questo è il primo documento che dimostra l'autoassemblaggio di alta qualità di particelle metalliche [di queste dimensioni], dice Braun del lavoro di Yang, che è stato pubblicato in Nano lettere .
Quando le nanoparticelle d'argento sono impaccate in modo lasco, le strutture si comportano come cristalli fotonici, consentendo ad alcune lunghezze d'onda della luce di propagarsi e bloccandone altre. Quando le nanoparticelle sono densamente impaccate, le strutture assumono proprietà ottiche completamente nuove, comportandosi come i cosiddetti cristalli plasmonici. Ai bordi delle particelle d'argento, le onde di energia superficiale chiamate plasmoni si concentrano. Proprio come i cristalli fotonici lasciano passare alcuni fotoni limitandone altri, i nuovi cristalli controllano il flusso dell'energia contenuta nella luce sotto forma di plasmoni. Nordlander afferma che questo fenomeno consente alle strutture di Berkeley di interagire con la luce in modo molto più forte rispetto ai cristalli fotonici tradizionali. Per questo motivo, dice, le strutture dovrebbero avere ancora più applicazioni dei cristalli fotonici.
Piccole piastrelle: Ottaedri d'argento i cui lati misurano circa 150 nanometri di diametro quando sono sospesi nell'acqua. Le proprietà ottiche dei cristalli risultanti dipendono fortemente dallo spazio tra le particelle.
Braun afferma che un'interessante applicazione possibile grazie al processo di autoassemblaggio economico è che i materiali Berkeley potrebbero essere utilizzati per realizzare rivestimenti regolabili che cambiano colore a seconda della distanza tra le particelle d'argento. La stessa tecnica potrebbe essere utilizzata per realizzare materiali in grado di modificare la forza con cui trasmettono determinate lunghezze d'onda della luce. Questi rivestimenti potrebbero servire da camuffamento per veicoli militari, rivestimenti per lenti che possono variare la loro trasmissione e rivestimenti per celle solari più efficienti. A differenza dei coloranti organici sviluppati per questi scopi, afferma Braun, le nanoparticelle d'argento probabilmente reggeranno meglio nel tempo.
Gli elementi costitutivi di Berkeley potrebbero anche essere utilizzati per creare nuovi metamateriali per l'occultamento e l'imaging a super risoluzione, afferma Nicholas Fang , professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l'Università dell'Illinois, Urbana-Champagne. La maggior parte dei metamateriali, progettati allo scopo di concentrare la luce in nuovi microscopi o deviare la luce attorno agli oggetti per i mantelli dell'invisibilità, hanno problemi di scalabilità. Gli elementi costitutivi di Yang, afferma Fang, aiuteranno a vincere le maggiori sfide della produzione.
Un'applicazione che Yang ha già dimostrato è l'uso di cristalli plasmonici costituiti dai suoi elementi costitutivi per aumentare la sensibilità di una tecnica di rilevamento chimico chiamata spettroscopia Raman. Il gruppo di Yang ha testato le acque sotterranee note per essere contaminate da arsenico e ha scoperto che i cristalli aumentavano la sensibilità di rilevamento da dieci a una parte per miliardo, il rilevamento più sensibile dell'arsenico mai eseguito. Yang dice che spera che i cristalli saranno incorporati in sensori chimici portatili economici per l'uso in luoghi in India e Cina, dove l'acqua potabile contiene arsenico a livelli malsani, ma precedentemente non rilevabili.