エンジニアは、革新的な光メタマテリアルを成長させる上でのハードルを克服します。

Anonim

ペンシルベニア大学の化学・応用科学の教授であるJohn Crocker教授が大学院生だったとき、彼のアドバイザーは研究室の皆さんを集めて、フィールドでの新たな挑戦に「長剣を投げつける」ようにしました。

ダイヤモンド構造中の炭素原子と同じ構造を有するコロイド結晶を成長させることができるならば、フォトニックに革命を起こすような特殊な光学特性を有すると予測していた。 フォトニックバンドギャップ材料(PBM)と呼ばれるこの材料では、光は半導体内で電子がどのように移動するかに数学的に類似した働きをする。

「技術的な意味合いは、このような材料は、光のための「トランジスタ」の構築、特定の位置で光を捕らえ、光とより効率的なLEDとレーザーのための微細回路を構築する能力を可能にすることである」とクロッカー氏。

当時、CrockerはPBMの追求を残しながら、自分のプロジェクトを追求することに決めました。

20年後、クロッカー自身の大学院生、Yifan Wangは、この謎めいたダイヤモンド構造を作り出し、別の問題に気付きました。 これは、PBMsを達成するための道に置かれている、「指向性粒子自己集合の聖なる墓」である、とCrockerは言った。

「これは、科学的発見の際立った発見の古典的な話です。あなたはこれらのことを期待することはできません。あなたは時々幸運になり、驚くべきことが出てきます。

この研究は、SEASのTalid Sinno教授と大学院生Ian JenkinsのCrocker、Wangによって率いられました。 結果は Nature Communicationsに 掲載されています。

PBMであるためには、物質は原子規模ではなく、光波長の長さスケール上に結晶様の構造を有する必要がある。

言い換えれば、特定の対称性を持つ球の配列に透明材料を彫刻または配置する必要があり、球や穴のサイズが数百nmになる必要があるとクロッカー氏は述べています。

Crocker氏によると、1990年代には、科学者たちは、半導体の結晶がどのように成長するのかと同様に、球を配置し、必要な構造を成長させる方法がたくさんあると信じていました。コロイド球は、格子。

オパールはこれの自然な例です。 地下水中のシリカが微視的球体を形成し、地下で結晶化して固体化したときに形成されます。

オパールはPBMであるために正しい対称性を持たないが、その虹色の外観は周期的な結晶構造が光の波長に匹敵するスケールにあることから生じる。

PBMを形成するための主な目的は、透明な微小球をダイヤモンド格子の炭素原子の原子配列を模した3次元パターンに配置することである。 この構造は、他の結晶とは異なり、光が正常に挙動することができる他の結晶の特定の対称方向を欠いており、ダイヤモンド構造がPBM効果を維持することを可能にする。

科学者は、PBMを製造するために異なる材料を用いて異なる構造を有する合成オパールを製造することができると仮定した。 しかし、これは彼らが考えていたよりも困難であり、20年後にまだ達成されていませんでした。

これらのダイヤモンド格子を最終的に作製するために、Pennの研究者は、DNA被覆マイクロスフェアを2つのわずかに異なるサイズで使用した。

「これらは、粒子間の架橋を形成するDNAのために、適切な温度でインキュベートすると、自発的にコロイド結晶を形成する」とクロッカー博士は述べた。 "特定の条件下では、結晶は二重ダイヤモンド構造を有し、二つの相互貫入型ダイヤモンド格子がそれぞれ1つの大きさまたは粒子の風味によって構成されている。

その後、これらの結晶を一緒に架橋して固体とした。

Crockerはその成果を幸運と表現しています。 研究者たちはこのダイヤモンド構造を作ることを決めていませんでした。 彼らは「ミックス&祈り」実験を行っていました。王はパラメータ空間を探索するために5つの重要な変数を調整していました。 これまでに11種類の結晶が生成されていますが、そのうち1つは驚くべきダブルダイヤモンド構造です。

「予期せぬことが起こることがしばしばあり、新しい技術的アプローチへの扉を開く」とSinno氏は語った。 「ほこりの古い教科書の物理学とは対照的に、新しい物理学が存在する可能性がある」

研究者は、高屈折率粒子の材料をどのように切り換え、1つの種を選択的に溶解させてコロイド状ミクロスフェアの自己集合ダイヤモンド格子を1つ残すかを理解する必要があります。

PBMをうまく生産することができれば、材料は、天然材料には存在しない珍しい光学特性を有する「光のための半導体」に似ています。 通常の透明材料は、1.3〜2.5の屈折率を有する。 これらのPBMは、非常に高い屈折率、または光を後方に屈折させる負の屈折率さえも有することができる。

このような材料は、より良い性能を有するレンズ、カメラ、顕微鏡、あるいは場合によっては「不可視の隠蔽」を作るために使用することができ、すべての光線を中央区画の周りに向け直し、そこに物体を見えなくする。

研究者はこれを数十回以上実験的に再現することができましたが、SinnoとJenkinsはシミュレーション結果を再現することができませんでした。 Wangが作り出した11種類の結晶は、シミュレーションでは複製できなかった唯一の構造です。

Sinno氏は、これはこれまでのところ見つかった1つの構造で、誰もあなたがこのシステムでそれを形成できると予測していないという事実とは無関係ではないと説明することはできません。 「私たちのアプローチがどれほど強力なものであるかを実際に示している過去の論文がいくつかありますが、それが実際には何も根本的に異なるものがあるという証拠が増えています。

研究者は現在、異なる未知の結晶が成長してからダブルダイヤモンドの結晶に変化すると考えていますが、この考え方は確認が難しいと判明しています。

"あなたは何かを理解したときに論文を書くことに慣れています"とクロッカーは言いました。 「私たちにはジレンマがありました。通常、私たちがしばらくそれを噛んでいるものを見つけたら、私たちはシミュレーションを行い、すべてが意味をなさけると、私たちはそれを書きます。この場合、すべてを3回チェックしてから、それがエキサイティングな発見であり、私たち以外の人々がこれに取り組むことができ、この神秘を解決しようと考えて助けてくれると言っています。

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