Cuando John Crocker, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania era un estudiante graduado, su asesor reunió a todos en su laboratorio para "arrojar el guante" a un nuevo desafío en elcampo.
Alguien había predicho que si uno pudiera cultivar cristales coloidales que tuvieran la misma estructura que los átomos de carbono en una estructura de diamante, tendría propiedades ópticas especiales que podrían revolucionar la fotónica. En este material, llamado material fotónico de banda prohibida, o PBM, luzactuaría de una manera matemáticamente análoga a cómo se mueven los electrones en un semiconductor.
"La implicación tecnológica es que tales materiales permitirían la construcción de 'transistores' para la luz, la capacidad de atrapar la luz en ubicaciones específicas y construir microcircuitos para LED y láseres más eficientes y más eficientes", dijo Crocker.
En ese momento, Crocker decidió perseguir sus propios proyectos, dejando la búsqueda de PBM a otros.
Veinte años después, el propio estudiante graduado de Crocker, Yifan Wang, produjo esta escurridiza estructura de diamantes mientras trabajaba en un problema diferente, por casualidad. Esto los puso en el camino para lograr PBM, el "santo grial del autoensamblaje de partículas dirigidas", dijo Crocker.
"Es una historia clásica de casualidad en el descubrimiento científico. No puedes anticipar estas cosas. A veces tienes suerte y sale algo sorprendente"
La investigación fue dirigida por Crocker, Wang, el profesor Talid Sinno de SEAS y el estudiante graduado Ian Jenkins. Los resultados se han publicado en Comunicaciones de la naturaleza .
Para ser un PBM, un material debe tener una estructura cristalina, no en la escala de los átomos sino en la escala de longitud de la longitud de onda de la luz.
"En otras palabras", dijo Crocker, "debe esculpir u organizar algún material transparente en una serie de esferas con una simetría particular, y las esferas u orificios deben tener un tamaño de cientos de nanómetros".
En la década de 1990, dijo Crocker, los científicos creían que habría muchas formas diferentes de organizar las esferas y hacer crecer la estructura necesaria utilizando cristales coloides similares a la forma en que crecen los cristales de semiconductores: esferas coloidales que se organizan espontáneamente endiferentes celosías de cristal.
Los ópalos son un ejemplo natural de esto. Se forman cuando la sílice en el agua subterránea forma esferas microscópicas, que cristalizan bajo tierra y luego se fosilizan en sólidos.
Aunque los ópalos no tienen la simetría correcta para ser PBM, su apariencia iridiscente resulta de su estructura cristalina periódica en escalas comparables a la longitud de onda de la luz.
Para formar un PBM, el objetivo principal es organizar esferas microscópicas transparentes en un patrón tridimensional que imite la disposición atómica de los átomos de carbono en una red de diamante. Esta estructura, a diferencia de otros cristales, carece de ciertas direcciones de simetría de otros cristales dondela luz puede comportarse normalmente, permitiendo que la estructura del diamante mantenga el efecto PBM.
Los científicos asumieron que serían capaces de fabricar ópalos sintéticos con diferentes estructuras utilizando diferentes materiales para producir PBM. Pero esto resultó más difícil de lo que habían pensado y, 20 años después, todavía no se ha logrado.
Para finalmente crear estas redes de diamantes, los investigadores de Penn usaron microesferas cubiertas de ADN en dos tamaños ligeramente diferentes.
"Estos forman espontáneamente cristales coloidales cuando se incuban a la temperatura correcta, debido a que el ADN forma puentes entre las partículas", dijo Crocker. "En ciertas condiciones, los cristales tienen una estructura de diamante doble, dos redes de diamantes interpenetrantes, cada una formada porpor un tamaño o 'sabor' de partícula "
Luego reticularon estos cristales juntos en un sólido.
Crocker describe el logro como buena suerte. Los investigadores no se habían propuesto crear esta estructura de diamantes. Habían estado haciendo un experimento de "mezclar y orar": Wang estaba ajustando cinco variables materiales para explorar el espacio de parámetros. Hasta la fecha,esto ha producido 11 cristales diferentes, uno de los cuales fue la sorprendente estructura de doble diamante.
"Muchas veces, cuando sucede algo inesperado, se abre una puerta a un nuevo enfoque tecnológico", dijo Sinno. "Podría haber una nueva física en lugar de la polvorienta física de los viejos libros de texto".
Ahora que han superado un obstáculo significativo en el camino hacia la creación de PBM, los investigadores deben descubrir cómo cambiar los materiales por partículas de alto índice y disolver selectivamente una especie para dejarlos con una red de diamantes autoensamblada demicroesferas coloidales.
Si es capaz de producir con éxito un PBM, el material sería como un "semiconductor para la luz", con propiedades ópticas inusuales que no existen en ningún material natural. Los materiales transparentes normales tienen un índice de refracción entre 1.3 y 2.5Estos PBM podrían tener un índice de refracción muy alto, o incluso un índice de refracción negativo que refracta la luz hacia atrás.
Tales materiales podrían usarse para hacer lentes, cámaras y microscopios con mejor rendimiento, o posiblemente incluso "capas de invisibilidad", objetos sólidos que redirigirían todos los rayos de luz alrededor de un compartimento central, haciendo que los objetos sean invisibles.
Aunque los investigadores han podido reproducir esto experimentalmente más de una docena de veces, Sinno y Jenkins no han podido reproducir los hallazgos en simulación. Es la única estructura de los 11 cristales que Wang produjo que no han podido reproducir.replicar en simulación
"Esta es la única estructura que hemos encontrado hasta ahora que no podemos explicar, lo que probablemente no está relacionado con el hecho de que nadie predijo que podría formarse con este sistema", dijo Sinno. "Hay varios otros documentoshemos tenido en el pasado que realmente muestran cuán poderosos son nuestros enfoques para explicar todo. De alguna manera, el hecho de que nada de esto funcionó agrega evidencia de que algo fundamental está sucediendo aquí ".
Los investigadores actualmente piensan que un cristal diferente y desconocido crece y luego se transforma en cristales dobles de diamante, pero esta idea ha resultado difícil de confirmar.
"Estás acostumbrado a escribir documentos cuando entiendes algo", dijo Crocker. "Así que tuvimos un dilema. Normalmente, cuando encontramos algo que lo masticamos por un tiempo, hacemos simulaciones y luego, cuando todo tiene sentido,en este caso, tuvimos que verificar tres veces todo y luego hacer un juicio para decir que este es un descubrimiento emocionante y otras personas más allá de nosotros también pueden trabajar en esto y pensar y ayudarnos a tratar de resolver este misterio"
Esta investigación fue apoyada por una subvención de la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Original escrito por Ali Sundermier. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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