211service.com
Optique à auto-assemblage bon marché
Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont créé des particules nanométriques qui peuvent s'auto-assembler en divers dispositifs optiques. En contrôlant la densité d'assemblage des minuscules particules d'argent, les chercheurs peuvent fabriquer différents types d'appareils, notamment des cristaux photoniques. Les matériaux d'auto-assemblage pourraient être fabriqués à moindre coût et à grande échelle. En conséquence, les nanoparticules d'argent pourraient être utilisées pour fabriquer des métamatériaux, des peintures à changement de couleur, des composants pour ordinateurs optiques et des capteurs chimiques ultrasensibles, parmi de nombreuses autres applications potentielles.
Astuces légères : Cette cuvette contient une solution de nanoparticules d'argent en train de s'auto-assembler en un cristal dit plasmonique dont les propriétés optiques dépendent fortement de l'espacement entre les particules. Au sommet, les nanoparticules sont relativement éloignées les unes des autres. Au fond de la cuvette, les nanoparticules sont densément tassées.
Dirigé par Peidong Yang , professeur de chimie à Berkeley, les chercheurs ont démontré qu'ils peuvent utiliser les nanoparticules pour augmenter la sensibilité de détection de l'arsenic d'un ordre de grandeur. Ils ont également fabriqué un type de cristal photonique très robuste appelé cristal plasmonique. Ces nouvelles structures sont similaires aux cristaux photoniques, mais en mieux, selon Peter Nordlander , professeur de physique à l'Université Rice, qui n'a pas participé aux travaux. Les cristaux photoniques laissent passer certaines longueurs d'onde de la lumière tout en filtrant les autres. Ils sont utilisés commercialement pour revêtir les lentilles et les miroirs et dans les fibres optiques ; ils pourraient également être utilisés dans les ordinateurs optiques.
Les nanoparticules d'argent qui composent les structures de Yang sont des octaèdres d'environ 150 nanomètres de côté ; ils sont de forme et de taille très régulières. Des structures cristallines composées de ces nanoparticules peuvent être créées lorsque les particules sont simplement placées dans un tube à essai rempli d'eau et laissées s'entasser les unes dans les autres. Lorsque l'eau s'évapore, une structure cristalline subsiste.
Yang dit que la simplicité du processus de son groupe est importante. La plupart des matériaux nanostructurés sont fabriqués de haut en bas par lithographie, ce qui les rend difficiles à fabriquer à moindre coût et à grande échelle. En revanche, les particules de Yang sont cultivées en solution. Et la plupart des structures auto-assemblées sont constituées de particules relativement petites, dit Paul Braun , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champagne. Les particules plus grosses comme celles utilisées par le groupe de Yang ont de meilleures propriétés optiques, dit-il. Il s'agit du premier article démontrant un auto-assemblage de haute qualité de particules métalliques [de cette taille], explique Braun à propos des travaux de Yang, publiés dans Lettres nano .
Lorsque les nanoparticules d'argent sont peu emballées, les structures se comportent comme des cristaux photoniques, permettant à certaines longueurs d'onde de la lumière de se propager et d'en arrêter d'autres. Lorsque les nanoparticules sont densément emballées, les structures acquièrent des propriétés optiques entièrement nouvelles, se comportant comme des cristaux dits plasmoniques. Aux bords des particules d'argent, des ondes d'énergie de surface appelées plasmons se concentrent. Tout comme les cristaux photoniques laissent passer certains photons tout en en restreignant d'autres, les nouveaux cristaux contrôlent le flux d'énergie contenue dans la lumière sous forme de plasmons. Nordlander dit que ce phénomène permet aux structures de Berkeley d'interagir avec la lumière beaucoup plus fortement que les cristaux photoniques traditionnels. Pour cette raison, dit-il, les structures devraient avoir encore plus d'applications que les cristaux photoniques.
Petits carreaux : Les octaèdres d'argent dont les côtés mesurent environ 150 nanomètres de diamètre s'assemblent lorsqu'ils sont suspendus dans l'eau. Les propriétés optiques des cristaux résultants dépendent fortement de l'espace entre les particules.
Braun dit qu'une application intéressante qui est possible en raison du processus d'auto-assemblage bon marché est que les matériaux Berkeley pourraient être utilisés pour fabriquer des revêtements accordables qui changent de couleur en fonction de l'espacement entre les particules d'argent. La même technique pourrait être utilisée pour fabriquer des matériaux qui peuvent modifier la force avec laquelle ils transmettent certaines longueurs d'onde de la lumière. Ces revêtements pourraient servir de camouflage pour les véhicules militaires, de revêtements de lentilles qui peuvent varier leur transmission et de revêtements pour des cellules solaires plus efficaces. Contrairement aux colorants organiques développés à ces fins, explique Braun, les nanoparticules d'argent résisteront probablement mieux au fil du temps.
Les blocs de construction de Berkeley pourraient également être utilisés pour fabriquer de nouveaux métamatériaux pour l'occultation et l'imagerie à super-résolution, selon Nicolas Croc , professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Université de l'Illinois, Urbana-Champagne. La plupart des métamatériaux, qu'ils soient conçus dans le but de concentrer la lumière dans de nouveaux microscopes ou de dévier la lumière autour d'objets pour des capes d'invisibilité, ont des problèmes d'évolutivité. Les blocs de construction de Yang, dit Fang, aideront à relever les plus grands défis de la fabrication.
Une application que Yang a déjà démontrée est l'utilisation de cristaux plasmoniques constitués de ses blocs de construction pour améliorer la sensibilité d'une technique de détection chimique appelée spectroscopie Raman. Le groupe de Yang a testé les eaux souterraines connues pour être contaminées par l'arsenic et a découvert que les cristaux augmentaient la sensibilité de détection de dix à une partie par milliard - la détection d'arsenic la plus sensible jamais réalisée. Yang dit qu'il espère que les cristaux seront incorporés dans des capteurs chimiques portables bon marché pour une utilisation dans des endroits en Inde et en Chine, où l'eau potable contient de l'arsenic à des niveaux malsains, mais auparavant indétectables.