研究人員開發出製造膠體鑽石的方法

自1990年代以來，膠體鑽石一直是研究人員的夢想。這些結構-微小材料的穩定，自組裝形式-具有使光波在計算中像電子一樣有用的潛力，並有望在許多其他應用中使用。但是，儘管膠體鑽石的想法是幾十年前提出的，但是沒有人能夠可靠地生產出這種結構。到現在。

紐約大學丹頓工程學院化學與生物分子工程教授，紐約大學物理學教授戴維·派恩（David Pine）領導的研究人員已經設計出一種新的方法，以可靠地自組裝成金剛石形式的膠體，從而可以實現廉價，可擴展的生產這種結構的製造。該發現在9月24日出版的《自然》雜誌上的「膠體鑽石」中進行了詳細介紹，它可能為高效的光學電路打開一扇大門，從而使光學計算機和雷射器，濾光器比以往任何時候更可靠，生產更便宜，從而取得了進步， 以及更多。

派恩和他的同事們，包括紐約大學物理系的博士後研究員何明新和紐約大學化學副教授史蒂芬諾·薩卡納（Stefano Sacanna），都是研究膠體及其結構的可能方法，已有數十年的歷史。這些材料由比人的頭髮直徑小數百倍的球形組成，可以根據球形之間的連接方式以不同的晶體形狀排列。每個膠體使用膠粘到膠體表面的DNA鏈與另一種分子連接，膠體表面起一種分子魔術貼的作用。當膠體在液浴中相互碰撞時，DNA斷裂和膠體連接在一起。取決於DNA連接到膠體的位置，它們可以自發形成複雜的結構。

此過程已被用來創建膠體串，甚至以立方形式形成膠體。但是，這些結構並未產生光子學的聖杯-可見光的帶隙。就像半導體會濾除電路中的電子一樣，帶隙也會濾除某些波長的光。如果膠體以金剛石形式排列，則可以通過膠體可靠地實現以這種方式過濾光，該方法被認為太困難且昂貴，以至於不能以商業規模進行。

派恩說：「 工程師們強烈希望製造出鑽石結構。」 「大多數研究人員已經放棄了，告訴您事實，我們可能是世界上仍在研究這一問題的唯一小組。因此，我認為該論文的發表將使整個社區感到意外。 」

研究人員包括紐約大學坦丹分校的前博士後埃蒂安·杜克洛特（Etienne Ducrot），現在在法國佩薩克CNRS Recheche Paul Pascal中心工作；韓國水原成均館大學的Gi-Ra Yi發現，他們可以使用空間互鎖機制，該機制會自發產生必要的交錯鍵，從而使這種結構成為可能。當這些金字塔狀膠體彼此接近時，它們以必要的方向連接以生成菱形。這種機制使膠體無需外部幹預即可自行構造自身結構，而不是通過使用納米機械來經歷艱苦而昂貴的構建這些結構的過程。此外，即使去除了形成的液體，金剛石結構也是穩定的。

這項發現是因為他當時是紐約大學丹頓分校的研究生，他注意到他合成的金字塔狀膠體的一個不尋常特徵。他和他的同事們提出了將這些結構聯繫起來的所有方式。當他們碰巧遇到一個特定的相互聯繫的結構時，他們意識到自己已經找到了正確的方法。他說：「在創建所有這些模型之後，我們立即看到我們已經創建了鑽石。」

「 Pine博士對第一個自組裝膠體金剛石晶格的長期尋求證明將為國防部重要技術帶來新的研發機會，這些技術可能會受益於3-D 光子晶體，」項目經理Evan Runnerstrom博士說，陸軍研究辦公室（ARO），是美國陸軍作戰能力發展司令部的陸軍研究實驗室的組成部分。

他解釋說，未來的潛在進展包括減輕重量和對精密傳感器和定向能量系統的能量需求的高效雷射器的應用；精確控制3D集成光子電路的光或光學籤名管理。

「我對這個結果感到很興奮，因為它很好地說明了ARO的材料設計計劃的中心目標-支持高風險，高回報的研究，從而開闢了自下而上的途徑來創建以前不可能製造的非凡材料。」

該團隊還包括紐約大學物理研究生John Gales和賓夕法尼亞大學前博士研究生 Zhe Gong（賓夕法尼亞大學前紐約大學化學研究生），他們現在致力於研究如何使用這些膠體鑽石。在實際環境中。他們已經在使用可以濾除光波長的新結構製造材料，以證明其在未來技術中的實用性。