Las perspectivas ofrecidas por las nanotecnologías dependen en gran medida de su capacidad para nanoestructurar materiales con alta resolución, bajo costo y en muestras macroscópicas. La plasmónica, la nanofotónica y la optoelectrónica constituyen algunos de los ejemplos más activos de áreas de investigación que requieren tales nanoestructuraciones.
En el enfoque innovador descrito en este trabajo, una capa de nanopartículas flotando en la interfaz agua/aire se transfiere por simple contacto a un sustrato nanoestructurado, llenando simultáneamente todos los agujeros que forman el patrón.
Las imágenes al microscopio electrónico muestran nanocubos de plata (55 nm de lado) dispuestos de forma precisa y a varias escalas, con una resolución igual a su tamaño. La disposición regular de estos “meta-átomos” sobre una superficie dota a esta última de funcionalidades ópticas que permiten fabricar componentes ópticos ultra-finos.
© Muhammad L. Fajri et al.
En general, las ventajas de una nanoestructuración de la materia se demuestran mediante un experimento de investigación que necesita la fabricación de una muestra particular a través de un enfoque llamado descendente, que consiste en esculpir la materia mediante etapas de deposición, litografía y grabado. Sin embargo, el costo y la complejidad de los procesos de nanofabricación implementados plantean profundas preguntas sobre la viabilidad industrial de los materiales obtenidos, especialmente cuando se considera la fabricación de las cantidades macroscópicas de estos materiales necesarias para sus aplicaciones concretas.
Un enfoque alternativo, llamado ascendente, consiste en combinar la síntesis coloidal con el autoensamblaje dirigido, lo que permite la fabricación de nanopatrones (pequeñas redes de coloides ensamblados y/o sinterizados) con materiales de alta calidad y perspectivas concretas de producción a escala macroscópica a un costo razonable.
La técnica de referencia para el ensamblaje dirigido utiliza una gota de solución coloidal muy concentrada que se desliza sobre el sustrato, un elastómero nanoestructurado con agujeros incrustados mediante moldeo. Al pasar la gota, las nanopartículas descienden en los agujeros y quedan atrapadas en un proceso dinámico complejo en el que intervienen varias fuerzas (capilares, de fricción, de adhesión), que, desafortunadamente, es bastante propenso a las inestabilidades y limita esta técnica a la realización de “meta-átomos” 1D y de baja densidad.
Por tal motivo, la elaboración de materiales coloidales en nanopatrones de alta resolución, sin defectos y respetando geometrías arbitrariamente complejas, era inaccesible con esta técnica de depósito dinámico.
En un trabajo reciente, investigadores del Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM, Aix-Marseille Université / CNRS), del Centre de recherche sur l'hétéroépitaxie et ses applications (CRHEA, CNRS / Université Côte d'Azur) y del Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP, Aix-Marseille Université / CNRS / Université de Toulon), han mejorado considerablemente el rendimiento de este tipo de enfoque.
La idea innovadora fue partir de una capa de nanopartículas flotando en la interfaz agua/aire en lugar de una gota concentrada. Esto permite tanto una concentración muy elevada como una muy buena estabilidad (ausencia de interacciones causadas por flujos, generadoras de inestabilidad) y una alta movilidad.
Esta capa flotante se transfiere por simple contacto al sustrato nanoestructurado, llenando todos los agujeros que forman el patrón simultáneamente. Gracias a este modo de ensamblaje que, en comparación con el método que mejora, puede calificarse como "casi estático", la forma, la densidad y la organización de los patrones ya no determinan el éxito o el fracaso del proceso de fabricación.
Los investigadores demuestran así en este trabajo la posibilidad de obtener meta-átomos 2D (patrones coloidales depositados sobre una lámina de vidrio) con verdadera libertad en lo que respecta a su geometría y complejidad (realizan patrones con forma de piezas de Tetris, o formando la palabra CNRS, por ejemplo), lo que hasta ahora no era posible.
Este éxito, combinado con la capacidad de producir tales arreglos de manera periódica sobre grandes superficies, hace de esta nueva técnica una innovación disruptiva en el campo de las metasuperficies para la óptica y la nanofotónica. Como prueba de concepto, proponen una metasuperficie que, gracias a su fase geométrica, "esculpe" de una manera muy particular la reflexión de una luz polarizada circularmente, sin equivalente en los materiales tradicionales.
Este enfoque innovador de ensamblaje de meta-átomos es el puntapié inicial para la realización completamente ascendente de metasuperficies, pero también constituirá a largo plazo una caja de herramientas eficaz para crear y estudiar nuevos nano-objetos extremadamente difíciles, si no imposibles, de sintetizar por vía química. Estos resultados se publican en la revista ACS Nano.
Referencia:
Designer Metasurfaces via Nanocube Assembly at the Air−Water Interface,
ACS Nano, publicado el 19 de agosto de 2024.
Doi: 10.1021/acsnano.4c06022
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