Исследователи Университета штата Калифорния в Беркли (University of California, Berkeley) разработали наночастицы, которые могут само-собираться в различные оптические элементы. Контролируя плотность самосборки серебряных наночастиц, ученые могут изготавливать различные виды устройств, включая фотонные кристаллы (фотонными кристаллами принято называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве).

Само-собирающиеся материалы могут быть сделаны достаточно дешево и в больших количествах. Как результат, наночастицы серебра могут быть использованы для множества приложений, в том числе, для изготовления метаматериалов, красок с изменяющимся цветом, компонентов оптических компьютеров и сверхчувствительных химических датчиков. В частности, группа под руководством профессора химии Пейдонг Янгом (Peidong Yang), используя само-сборку наночастиц, сумели повысить чувствительность к обнаружению мышьяка на целый порядок величины. Они сумели изготовить очень устойчивый вид фотонного кристалла, который называют плазмонным кристаллом. Считается, что плазмонные кристаллы обладают более высокими и стабильными характеристиками. Фотонные кристаллы являются высококачественными оптическими фильтрами, пропуская определенные длины волн и отсекая другие; их используют в промышленности в качестве покрытия для линз, зеркал и световодов, они также могут быть использованы в оптических компьютерах.

Рис.1. Кювета содержит раствор серебряных наночастиц в процессе самосборки в так называемый плазмонный кристалл, оптические параметры которого существенно зависят от расстояний между частицами. В верхней части кюветы частицы находятся на довольно больших расстояниях друг от друга; внизу- наночастицы плотно упакованы

Наночастицы серебра, составляющие само-сборные структуры в экспериментах группы проф. Янга, представляют собой октаэдры со сторонами порядка 150 нм, очень правильной формы и регулярности по размеру. Кристаллические структуры, собранные из этих наночастиц, образуются в простых условиях- частицы помещают в тест кювету, заполненную водой, и оставлены в покое, они начинают процесс само-сборки самостоятельно. После испарения воды остается кристаллическая структура. Проф. Янг особо отмечает простоту этого процесса. Большинство наноструктурированных материалов изготавливают по технологии «сверху-вниз» (top-down) с использованием методов литографии, что не позволяет их изготавливать дешево и в больших количествах. В противоположность этому, наночастицы по методу Янга выращивают в растворе. Большинство само-сборных структур образуется из относительно маленьких частиц. Группа проф. Янга использует наночастицы достаточно большого размера, которые имеют лучшие оптические характеристики. Результаты, опубликованные группой проф. Янга являются первыми с частицами такого размера и демонстрируют высокое качество само-сборных структур из частиц металла (“Self-organized silver nanocrystals for three dimensional plasmonic crystals”, A. Tao, D. Ceperley, P. Sinsermsuksakul, A. R. Neureuther, P. Yang, Nano Letters, In Press, 2008: http://pubs.acs.org/…nals/nalefd/).

При неплотной пакетировке серебряных наночастиц структуры ведут себя как фотонные кристаллы, пропуская излучение только на определенных длинах волн. В случаях плотной пакетировки наночастиц структуры приобретают совершенно новые оптические свойства, характерные для так называемых плазмонных кристаллов. Плазмонные кристаллы фильтруют оптическое излучение значительно сильнее и качественнее, чем фотонные кристаллы, что обусловит в последствии их более широкое применение.

По мнению известных специалистов одним из очевидных приложений плазмонных кристаллов, которое появляется и благодаря оптическим свойствам, и благодаря простоте и дешевизне процесса само-сборки, являются покрытия с юстируемыми оптическими свойствами, которые изменяют цвет в зависимости от плотности пакетировки наночастиц серебра. Точно та же технология может быть использована для изготовления материалов с различной и регулируемой прозрачностью на разных длинах волн. Такие покрытия могут служить для камуфляжа военных транспортных средств. Очевидным является также применение таких покрытий в оптике- для линз с изменяющимся пропусканием и для более эффективных фотоэлементов.

Материалы и технология, созданные в Беркли, могут стать «строительными блоками» новых метаматериалов для создания покрытий для объектов-невидимок и сверх-разрешающих систем построения изображений. Большинство метаматериалов, созданных для концентрирования света вновых микроскопах или отклонения света вокруг объектов с целью сделать эти объекты невидимыми, имеют проблемы масштабируемости (способность системы увеличивать свою производительность при добавлении ресурсов) и, соответственно, производительности. Этих проблем не существует у метода, созданного группой проф. Янга, этот метод может предоставить любую производительность.

Рис.2. Правильные серебряные октаэдры со стороной размером 150 нм само-пакетируются в воде. Оптические свойства образующихся кристаллов существенно зависят от расстояния между частицами

В испытаниях нового метода группа продемонстрировала одно из предполагаемых приложений плазмонных кристаллов- для повышения чувствительности метода Рамановской спектроскопии при обнаружении химических веществ. Исследователи тестировали грунтовую воду, загрязненную мышьяком и обнаружили, что полученные ими кристаллы повышают чувствительность обнаружения от 10 до 1 ppb (одной миллиардной доли), что является абсолютным рекордом чувствительности для обнаружения мышьяка. Сам проф. Янг считает, что уже в ближайшем будущем такие кристаллы могут быть установлены в дешевых переносных датчиках химикатов для использования в таких странах как Китай или Индия, где питьевая вода содержит мышьяк в концентрациях, превышающих допустимые для здоровья, но не обнаруживаемых современными методами.

Евгений Биргер