Фізика
Фізика

Фізики змусили колоїдні кристали самоорганізовуватися в алмази

Колоїдні частинки, скріплені разом / Nature, 2020

Колоїдні частинки, скріплені разом / Nature, 2020

Колоїдні частинки навчились з’єднуватись одна з одною в шаховому порядку, утворюючи алмазоподібні форми. Фізики застосували стеричний ефект і створили структуру, яка не деформується після висихання, що важливо для практичного використання. Така “самоорганізованість” кристалів дає змогу полегшити їх виробництво та вільно використовувати для пристроїв на основі фотоніки, повідомляють вчені в своєму дослідженні, опублікованому в журналі Nature.

Що таке колоїдні кристали?

На відміну від звичайних кристалів(наприклад, води чи кварцу), що складаються з атомів, іонів або молекул, колоїдні кристали являють собою впорядковані тривимірні і двовимірні системи з нанометрових або мікронних частинок. У таких системах можуть виникати незвичайні оптичні, хімічні або електронні властивості. Наприклад, подібним чином влаштовані фотонні кристали, період неоднорідність яких дорівнює довжині хвилі видимого світла і може виникати фотонна заборонена зона. Завдяки цьому ефекту кристал поводиться майже як напівпровідник, але не для електронів, а для фотонів.

Навіщо їм самоорганізовуватись?

Для створення кристалів потрібної структури зазвичай використовують дорогі методи: фотолітографію, тобто опромінення потоком електронів, або голографічні методи — періодичний розподіл інтенсивності електричного поля. Проте для масового виробництва найперспективнішим вважається метод самовільного росту кристалів, адже він не потребує великого масиву технологій. Кристали виникають при повільному осадженні колоїдних частинок із розчинів, які з випаровуванням рідини утворюють тривимірні кристали. Проте, щоб вони впорядковувались потрібним чином, тобто мали однаковий діаметр і порядок, вченим доводиться шукати способи коригувати їх поведінку в розчинах. Наприклад, провокуючи кулонівське відштовхування між частинками.

Як вчені вплинули на поведінку кристалів?

Для утворення алмазоподібної форми — найбільш ефективної для використання кристалів надалі, колоїдним частинкам потрібно з’єднуватись між собою у шаховому порядку. Зазвичай самостійно таких форм вони не набувають, але фізикам з Нью-Йоркського університету вдалось змусити їх організовуватись потрібним чином. Вони застосували стеричний ефект, тобто вплив на структуру шляхом попереднього розміщення частинки з потрібними характеристиками. Додана в розчин частинка необхідної структури змусила організовуватись потрібним чином й решту колоїдів. Після повного висихання структура лишилась незмінною, а отже таку технологію можна буде застосовувати в фотоніці й надалі.

Де використовують колоїдні кристали?

Завдяки існуванню фотонної забороненої зони, фотонні технології можуть застосовувати на практиці всюди, де можна використовувати фотони замість електронів. Наприклад, для лазерів, надпровідників, хвилеводів. На основі таких впорядкованих середовищ можна створити системи повністю оптичної обробки інформації або новий клас дисплеїв, в яких для маніпуляцій з кольором пікселів використовуватимуть фотони.

Зараз команда зосереджена на тому, щоб побачити, як створені ними алмази можна використовувати на практиці. Розрахунки структури показують, що отримані решітки можуть мати широку і повну фотонну заборонену зону. Вчені вже тестують матеріали з використанням нових структур, які можуть фільтрувати оптичні довжини хвиль, щоб довести можливість їх використання на практиці.