Ehituskivid uut sorti optiliste vooluringide valmistamiseks

Kujutage ette uusi, hämmastavate ja eksootiliste optiliste omadustega seadmeid, unikaalseid kogu maailmas – ja seda kõike lihtsalt mõne osakestest koosneva ainetilga aurustamisel pinnale.

Valmistades vedelikust keemilisel teel nanosfääride klastreid Harvardi Ülikooli teadlased koostöös Rice’i ja Texase Ülikooli teadlastega just selliste seadmete valmistamisega hakkama saidki.

Ajakirjas Science ilmunud artikkel nende uurimusega demonstreerib lihtsaid, skaleeritavaid, seadistatavate optiliste omadustega seadmeid, millede kasutusalad ulatuvad ülitundlikest sensoritest ja detektoritest kuni nähatamatuks tegevate kateteni. Kontsentrilistest metallist ja isoleerivatest kestadest koosnevaid osakesi kasutades töötasid artikli autorid Jonathan Fan, Federico Capasso ja Vinothan Manoharan disainiprobleemide ületamiseks välja alt-üles kokkupandava lähenemismeetodi.

Optilise inseseneritehnoloogia pikaajaliseks väljakutseks on olnud leida viis, kuidas valmistada lainepikkustest mõõtmetelt väiksemaid struktuure, milledel oleksid soovitud ja omapärased omadused,” sõnas Fan, Harvardi Tehnika ja rakendusteaduste Ülikooli doktorant. ,,Nähtava valguse sageduste puhul peaksid need seadmed olema nanoskaalas.”

Kontrastiks: enamik nanoskaalas seadmeid on toodetud ülevalt-alla lähenemist kasutades, nii näiteks toodetakse ka arvutikiibid. Väikseimad suurused, mida nii on võimalik saada, on täpselt piiritletud tootmisprotsesside loomuomaduste poolt, näiteks protsessis kasutatava valguse lainepikkuse piir. Lisaks on sellistel meetoditel piiranguks ka kasutatav tasapinnaline geomeetria, kõrge maksumus ning vajadus hea infrastruktuuri järele, näiteks saastevabade ruumide olemasolu.

,,Oma alt-üles lähenemisega jäljendame me looduse poolt valmistatavate omapäraste struktuurite tekkemehhanisme, mille tulemuseks on erakordselt kasulikud omadused,” selgitas Capasso. ,,Meie valmistatud nanoklastrid käituvad kui üliväikesed optilised vooluringid ning nad võiksid olla aluseks uutele tehnoloogiatele, näiteks ühemolekulistele detektoritele, efektiivsetele ja bioloogiliselt sobivatele sondidele vähiteraapias ning nanoosakeste manipuleerimiseks ja sorteerimiseks mõeldud optilistele pinsettidele. Muuhulgas oleks tooteprotsess palju odavam ja lihtsam.”

Teadlaste loodud kokkupandav meetod ei vaja midagi peale vähese segamise ja kuivatamise. Klastrite valmistamiseks kaetakse osakesed kõigepealt polümeeriga, misjärel tilgake neid aurustatakse vett-tõrjuvale pinnale. Aurustamisprotsessis kleepuvad osakesed üksteise külge kinni, moodustades seeläbi väikesed klastrid. Polümeerist vaheosakesi kasutades olid teadlased võimelised tekitama osakeste vahele kahenanomeetriseid vahesid, mis on aga palju parem tulemus kui seda võimaldavad tavapärased üles-alla meetodid.

Eriti huvipakkuvad on kaks tulemuseks saadud klastrit. Trimeer, mis koosneb kolmest üksteisest võrdsel kaugusel asuvast osakesest, suudab kanda edasi magnetilist vastastikmõju – vajalik omadus nähtavatuks tegevates katetes ning negatiivse murdumisnäitajaga materjalides.

,,Põhimõtteliselt käitub trimeer kui nanoskaalas resonaator, mis suudab hoida alal ringvoolu nähtava valguse ja infrapunalähedastel sagedustel,” täpsustas Fan. ,,See struktuur töötab kui optilistel sagedustel funktsioneeriv nanoskaalas magnet, miski, mida looduslikud materjalid pole suutelised tegema.”

Heptameeridel ehk kokkupakitud seitsmest osakesest koosnevatel struktuuridel puudub valge valgusega valgustamisel kitsa, hästipiiritletud värvide või lainepikkuste puhul pea täielikult hajutavus. Need kindlad väärtused, tuntud kui Fano resonantsid, tulenevad nanoosakese elektronide kahe ostsillatsiooni tüübi, nn. ‘heleda’ tüübi ja optiliselt mitteaktiivse ‘tumeda’ tüübi interferentsist.

,,Heptameerid on väga efektiivsed nanomeetri suurustel aladel eriti intensiivsete elektriväljade tekitamisel, kuhu molekule ja nanoosakesi on võimalik lõksu püüda, kus nendega saab manipuleerida ja neid detekteerida. Molekulaarsensorid tugineksid muutuste detekteerimisele juba mainitud spektri kitsastes tippudes,” ütles Capasso.

Lõppkokkuvõttes saaks kõiki kokkupandavaid vooluringe kergesti reguleerida, varieerides selleks struktuuri geomeetriat, osakeste asendit üksteise suhtes või keemilist keskkonda. Lühidalt: uus meetod annab võimaluse ‘kunstlike molekulide’ manipuleerimiseks viisil, mille tulemuseks on soovitud optilised omadused. Teadlased loodavad, et meetodi see omadus on laialdaselt rakendatav ka paljude muude karakteristikute puhul.

Edasi plaanivad teadlased töötada suuremate klastrite moodustamise kallal ning loodavad kokku panna kolmedimensionaalseid makroskaalas struktuure – materjaliteaduse Püha Graal.

,,Me oleme väga põnevil selle meetodi võimalikust skaleeritavusest,” sõnas Manoharan. ,,Sfääre kokku panna on kõige kergem, sest neid on lihtne kokku ‘pakkida’. Kuigi demonstreerisime ainult tasapinnalisi osakesteklastreid saab meie meetodit laiendada ka kolmedimensionaalsetele struktuuridele – miski, mida ülevalt-alla meetod ei võimalda.”

Allikas