La technique photonique tant attendue pourrait changer la façon dont les technologies optiques sont développées et utilisées au cours de la prochaine décennie – Technoguide

Le diamant colloïdal est un rêve des chercheurs depuis les années 1990. Ces structures – des formations stables et auto-assemblées de matériaux minuscules – ont le potentiel de rendre les ondes lumineuses aussi utiles que les électrons en informatique et sont prometteuses pour une foule d’autres applications. Mais alors que l’idée des diamants colloïdaux a été développée il y a des décennies, personne n’a été en mesure de produire les structures de manière fiable. Jusqu’à maintenant.

Des chercheurs dirigés par David Pine, professeur de génie chimique et biomoléculaire à la NYU Tandon School of Engineering et professeur de physique à NYU, ont mis au point un nouveau processus d’auto-assemblage fiable de colloïdes dans une formation de diamant qui pourrait conduire à des fabrication de telles structures. La découverte, détaillée dans “Colloidal Diamond”, parue dans le numéro du 24 septembre de Nature, pourrait ouvrir la porte à des circuits optiques très efficaces menant à des avancées dans les ordinateurs optiques et les lasers, des filtres de lumière plus fiables et moins chers à produire que jamais. , et beaucoup plus.

Pine et ses collègues, dont l’auteur principal Mingxin He, chercheur postdoctoral au Département de physique de NYU, et l’auteur correspondant Stefano Sacanna, professeur agrégé de chimie à NYU, étudient les colloïdes et les moyens possibles de les structurer depuis des décennies. Ces matériaux, constitués de sphères des centaines de fois plus petites que le diamètre d’un cheveu humain, peuvent être disposés en différentes formes cristallines selon la façon dont les sphères sont liées les unes aux autres. Chaque colloïde se fixe à un autre en utilisant des brins d’ADN collés aux surfaces des colloïdes qui fonctionnent comme une sorte de Velcro moléculaire. Lorsque les colloïdes entrent en collision les uns avec les autres dans un bain liquide, les accrocs d’ADN et les colloïdes sont liés. Selon l’endroit où l’ADN est attaché au colloïde, ils peuvent créer spontanément des structures complexes.

Ce processus a été utilisé pour créer des chaînes de colloïdes et même des colloïdes dans une formation cubique. Mais ces structures n’ont pas produit le Saint Graal de la photonique – une bande interdite pour la lumière visible. Tout comme un semi-conducteur filtre les électrons dans un circuit, une bande interdite filtre certaines longueurs d’onde de la lumière. Le filtrage de la lumière de cette manière peut être réalisé de manière fiable par des colloïdes s’ils sont disposés dans une formation de diamant, un processus jugé trop difficile et coûteux à réaliser à l’échelle commerciale.

“Il y a eu un grand désir parmi les ingénieurs de fabriquer une structure en diamant”, a déclaré Pine. «La plupart des chercheurs y avaient renoncé, pour vous dire la vérité – nous sommes peut-être le seul groupe au monde à travailler encore là-dessus. Je pense donc que la publication du document surprendra la communauté. . “

Les enquêteurs, dont Etienne Ducrot, ancien post-doctorant à NYU Tandon, désormais au Centre de Recherche Paul Pascal – CNRS, Pessac, France; et Gi-Ra Yi de l’Université Sungkyunkwan, Suwon, Corée du Sud, ont découvert qu’ils pouvaient utiliser un mécanisme de verrouillage stérique qui produirait spontanément les liaisons décalées nécessaires pour rendre cette structure possible. Lorsque ces colloïdes pyramidaux se sont approchés, ils se sont liés dans l’orientation nécessaire pour générer une formation de diamant. Plutôt que de passer par le processus laborieux et coûteux de construction de ces structures grâce à l’utilisation de nanomachines, ce mécanisme permet aux colloïdes de se structurer sans avoir besoin d’interférences extérieures. De plus, les structures en diamant sont stables, même lorsque le liquide dans lequel elles se forment est éliminé.

La découverte a été faite parce que lui, un étudiant diplômé à l’époque de NYU Tandon, a remarqué une caractéristique inhabituelle des colloïdes qu’il synthétisait dans une formation pyramidale. Lui et ses collègues ont dégagé toutes les façons dont ces structures pouvaient être liées. Lorsqu’ils sont tombés sur une structure interdépendante particulière, ils ont réalisé qu’ils avaient trouvé la bonne méthode. «Après avoir créé tous ces modèles, nous avons immédiatement vu que nous avions créé des diamants», a déclaré He.

«La démonstration tant recherchée par le Dr Pine des premiers réseaux de diamants colloïdaux auto-assemblés ouvrira de nouvelles opportunités de recherche et de développement pour d’importantes technologies du ministère de la Défense qui pourraient bénéficier des cristaux photoniques 3D», a déclaré le Dr Evan Runnerstrom, directeur de programme, Army Research Office (ARO), un élément du laboratoire de recherche de l’armée du Commandement de développement des capacités de combat de l’armée américaine.

Il a expliqué que les avancées potentielles futures comprennent des applications pour les lasers à haut rendement avec un poids et une demande d’énergie réduits pour les capteurs de précision et les systèmes à énergie dirigée; et un contrôle précis de la lumière pour les circuits photoniques intégrés 3D ou la gestion des signatures optiques.

“Je suis ravi de ce résultat car il illustre à merveille un objectif central du programme de conception de matériaux d’ARO – soutenir la recherche à haut risque et à haute récompense qui ouvre des voies ascendantes pour créer des matériaux extraordinaires qui étaient auparavant impossibles à fabriquer.”

L’équipe, qui comprend également John Gales, un étudiant diplômé en physique à NYU, et Zhe Gong, un postdoc à l’Université de Pennsylvanie, anciennement étudiant diplômé en chimie à NYU, se concentre maintenant sur la façon dont ces diamants colloïdaux peuvent être utilisés. dans un cadre pratique. Ils créent déjà des matériaux utilisant leurs nouvelles structures capables de filtrer les longueurs d’onde optiques afin de prouver leur utilité dans les technologies futures.

Cette recherche a été financée par le US Army Research Office sous le numéro de prix W911NF-17-1-0328. Un financement supplémentaire a été fourni par la National Science Foundation sous le numéro de prix DMR-1610788.

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