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Ópticas económicas de autoensamblaje
Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han creado partículas a nanoescala que pueden autoensamblarse en varios dispositivos ópticos. Al controlar la densidad con que se ensamblan las diminutas partículas de plata, los investigadores pueden crear varios tipos diferentes de dispositivos, incluidos los cristales fotónicos. Los materiales de autoensamblaje se podían fabricar de forma económica y a gran escala. Como resultado, las nanopartículas de plata podrían usarse para fabricar metamateriales, pinturas que cambian de color, componentes para computadoras ópticas y sensores químicos ultrasensibles, entre muchas otras aplicaciones potenciales.
Trucos ligeros: Esta cubeta contiene una solución de nanopartículas de plata en proceso de autoensamblaje en un llamado cristal plasmónico cuyas propiedades ópticas dependen en gran medida del espacio entre las partículas. En la parte superior, las nanopartículas están relativamente separadas. En la parte inferior de la cubeta, las nanopartículas están densamente empaquetadas.
Dirigido por Peidong Yang , profesor de química en Berkeley, los investigadores han demostrado que pueden usar las nanopartículas para aumentar la sensibilidad de la detección de arsénico en un orden de magnitud. También hicieron un tipo de cristal fotónico muy robusto llamado cristal plasmónico. Estas nuevas estructuras son similares a los cristales fotónicos, pero mejores, dice Peter Nordlander , profesor de física en la Universidad de Rice, que no participó en el trabajo. Los cristales fotónicos permiten que pasen algunas longitudes de onda de luz mientras filtran otras. Se utilizan comercialmente para revestir lentes y espejos y en fibras ópticas; también podrían usarse en computadoras ópticas.
Las nanopartículas de plata que forman las estructuras de Yang son octaedros con lados de aproximadamente 150 nanómetros; son de forma y tamaño muy regulares. Las estructuras cristalinas compuestas por estas nanopartículas pueden formarse cuando las partículas simplemente se colocan en un tubo de ensayo lleno de agua y se dejan empacar. Cuando el agua se evapora, queda una estructura cristalina.
Yang dice que la simplicidad del proceso de su grupo es importante. La mayoría de los materiales nanoestructurados se fabrican de arriba hacia abajo mediante litografía, lo que dificulta su fabricación a gran escala y de forma económica. Por el contrario, las partículas de Yang se cultivan en solución. Y la mayoría de las estructuras autoensambladas están formadas por partículas relativamente pequeñas, dice Paul Braun , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois, Urbana-Champagne. Las partículas más grandes como las que usa el grupo de Yang tienen mejores propiedades ópticas, dice. Este es el primer artículo que demuestra el autoensamblaje de partículas metálicas de alta calidad [de este tamaño], dice Braun del trabajo de Yang, que fue publicado en Nano letras .
Cuando las nanopartículas de plata están sueltas, las estructuras se comportan como cristales fotónicos, lo que permite que algunas longitudes de onda de luz se propaguen y detienen otras. Cuando las nanopartículas están densamente empaquetadas, las estructuras adquieren propiedades ópticas completamente nuevas, comportándose como los llamados cristales plasmónicos. En los bordes de las partículas de plata, las ondas de energía de la superficie llamadas plasmones se concentran. Así como los cristales fotónicos permiten el paso de algunos fotones mientras restringen otros, los nuevos cristales controlan el flujo de la energía contenida en la luz en forma de plasmones. Nordlander dice que este fenómeno permite que las estructuras de Berkeley interactúen con la luz con mucha más fuerza que los cristales fotónicos tradicionales. Por esta razón, dice, las estructuras deberían tener incluso más aplicaciones que los cristales fotónicos.
Pequeños azulejos: Los octaedros de plata cuyos lados miden alrededor de 150 nanómetros de ancho se empaquetan juntos cuando se suspenden en agua. Las propiedades ópticas de los cristales resultantes dependen en gran medida del espacio entre las partículas.
Braun dice que una aplicación interesante que es posible debido al proceso de autoensamblaje económico es que los materiales de Berkeley podrían usarse para hacer recubrimientos ajustables que cambian de color según el espacio entre las partículas de plata. La misma técnica podría usarse para fabricar materiales que pueden cambiar la fuerza con la que transmiten ciertas longitudes de onda de luz. Estos recubrimientos pueden servir como camuflaje para vehículos militares, recubrimientos de lentes que pueden variar su transmisión y recubrimientos para células solares más eficientes. A diferencia de los tintes orgánicos que se están desarrollando para estos fines, dice Braun, las nanopartículas de plata probablemente se mantendrán mejor con el tiempo.
Los bloques de construcción de Berkeley también podrían usarse para crear nuevos metamateriales para el encubrimiento y la creación de imágenes de superresolución, dice Nicolás Fang , profesor de ciencias mecánicas e ingeniería en la Universidad de Illinois, Urbana-Champagne. La mayoría de los metamateriales, ya sean diseñados con el propósito de concentrar la luz en nuevos microscopios o desviar la luz alrededor de los objetos para crear capas de invisibilidad, tienen problemas de escalabilidad. Los componentes básicos de Yang, dice Fang, ayudarán a conquistar los mayores desafíos de la fabricación.
Una aplicación que Yang ya ha demostrado es el uso de cristales plasmónicos compuestos por sus componentes básicos para mejorar la sensibilidad de una técnica de detección química llamada espectroscopia Raman. El grupo de Yang analizó el agua subterránea que se sabía que estaba contaminada con arsénico y descubrió que los cristales aumentaban la sensibilidad de detección de diez a una parte por mil millones, la detección más sensible de arsénico realizada hasta ahora. Yang dice que espera que los cristales se incorporen en sensores químicos portátiles y baratos para su uso en lugares de India y China, donde el agua potable contiene arsénico en niveles insalubres, pero previamente indetectables.