Коллоидные наночастицы собрались в решетку алмаза

Химикам удалось собрать кубическую решетку алмаза из коллоидных частиц. Структуры с такой кристаллической решеткой могут подавлять спонтанное излучение света и поэтому полезны для создания оптических волноводов, фильтров или лазерных резонаторов. Работа опубликована в журнале Nature.

Коллоидные кристаллы обычно получают из растворов методом самосборки. Мелкие нерастворимые частицы в растворе под действием силы тяжести в простейшем случае собираются в упорядоченные структуры. Для того чтобы частицы понимали, как нужно выстраиваться, к ним можно пришивать разные молекулы, которые соединяются в растворе и формируют заданную структуру из частиц. Чаще всего такой метод формирования структур используют для изготовления фотонных кристаллов. Коллоидные частицы, собранные в кубическую решетку алмаза, составляют материал, который обладает отличными оптическими свойствами. Он подавляет спонтанное излучение света и может быть использован для улучшения технологий, в которых необходимо собирать свет. Решетка алмаза (в узлах решетки необязательно должен быть углерод — в данном случае значение имеет только структура этой решетки) в отличие от распространенной гранецентрированной решетки имеет более широкую запрещенную зону и менее чувствительная к дефектам. Помимо этого для создания структуры алмаза требуются материалы с отличием показателя преломления примерно в два раза, что можно реализовать с помощью известных материалов. Однако, процесс самосборки решетки алмаза значительно сложнее с технологической точки зрения, чем формирование гранецентрированных решеток.

Ученые под руководством Дэвида Пайна (David J Pine) из Университета Нью-Йорка смогли преодолеть сложности в технологии сборки кубических алмазных решеток и создали структуры на их основе из коллоидных частиц.

Сложность в формировании заданной решетки кристалла состоит в методе соединения частиц. Если взять две шарообразные частицы, у каждой из которых есть участок связывания (своеобразный клей), то они могут склеиться под каким угодно углом и в какой угодно ориентации. Для того чтобы это предотвратить, авторы вместо одиночных частиц использовали кластеры из четырех частиц, которые были собраны в тетраэдр. Такие кластеры могут соединяться только одним способом — в шахматном порядке, что упрощает самосборку алмазных кристаллических решеток. Выбор тетраэдра в виде кластера не случаен — связи частицы, которая находится в узле кристаллической решетки алмаза, образуют именно тетраэдр.

Для эксперимента ученые использовали твердые наночастицы из полистирола, которые соединяли при помощи жидкой капли полимера. При определенных пропорциях жидкой и твердой составляющей возможно формирование требуемых тетрагональных частиц. А изменение внешних параметров (температуры, давления) влияло на расстояние между частицами в тетраэдре, что позволяло формировать решетки с разными элементарными частицами в их узлах.

Проверку полученных структур ученые осуществляли с помощью растрового электронного микроскопа и измерения флуоресценции. Они добавляли флуоресцентные метки в жидкую каплю перед формированием тетрагональных частиц и потом наблюдали итоговую структуру в микроскоп. Эти изображения с высокой точностью совпали с результатами моделирования кубической решетки алмаза из коллоидных частиц.

Показатель преломления собранных структур оказался недостаточным для формирования фотонных кристаллов в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Для решения этой проблемы авторы изготовили обратные решетки. Они использовали итоговые кристаллы как трафареты, заполняли свободное пространство в них материалом в более высоким коэффициентом преломления (оксид титана — 2.6 и кремний — 3.4) и удаляли коллоидные частицы. Обратные решетки имеют более широкую запрещенную зону, что важно для фотонных кристаллов. Помимо этого, ее можно контролировать изменением плотности тетрагональных частиц и применять кристаллы для разных длин волн.

Коллоидные кристаллы применяются не только в создании оптических элементов. Например, японские химики синтезировали новый тип красителя, который меняет свой цвет, с использованием коллоидных кристаллов. А в качестве коллоидных частиц можно использовать квантовые точки, как это сделали американские химики для катализа реакции получения производных циклобутана.

Оксана Борзенкова