De acordo com a Universidade de Michigan, um novo processo de fabricação de nanopartículas metálicas helicoidais está oferecendo uma maneira mais simples e barata de produzir rapidamente um material essencial para dispositivos biomédicos e ópticos.
“Um dos nossos motivadores é simplificar drasticamente a fabricação de materiais complexos que representam gargalos em muitas tecnologias atuais”, disse Nicholas Kotov, Distinguido Professor de Ciências Químicas e Engenharia da Universidade Irving Langmuir na Universidade de Michigan e co-autor do livro. estudo, que foi publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences.
Superfícies quirais – o que significa que a superfície não possui simetria espelhada – que têm a capacidade de curvar a luz em nanoescala são muito procuradas. O novo estudo demonstra uma maneira de fabricá-los por meio da impressão 3D de “florestas” de hélices em nanoescala. O alinhamento dos eixos das hélices com um feixe de luz cria uma forte rotação óptica – permitindo que a quiralidade seja aproveitada nas tecnologias de saúde e de informação, para as quais a quiralidade é comum.
Superfícies quirais de metais plasmônicos são ainda mais desejáveis porque podem produzir uma grande família de biodetectores muito sensíveis. Por exemplo, podem detectar biomoléculas específicas – produzidas por bactérias perigosas resistentes a medicamentos, proteínas mutadas ou ADN – que podem ajudar no desenvolvimento de terapias específicas. Estes materiais também oferecem o potencial para o avanço das tecnologias de informação, criando maiores capacidades de armazenamento de dados e velocidades de processamento mais rápidas, aproveitando a interação da luz com sistemas electrónicos (ou seja, cabos de fibra óptica).
Embora essas superfícies especiais estruturadas em 3D a partir de hélices verticais sejam muito necessárias, os métodos tradicionais para produzi-las são complexos, caros e geram muito desperdício. Mais comumente, esses materiais são feitos usando hardware altamente especializado – como litografia 3D de dois fótons ou deposição induzida por feixe de íons/elétrons – disponível apenas em algumas instalações de ponta. Embora precisos, esses métodos envolvem processamento demorado e em várias etapas em condições de baixa pressão ou alta temperatura.
A impressão 3D foi sugerida como alternativa, mas, segundo os pesquisadores, as tecnologias de impressão 3D existentes não permitem resolução em nanoescala. Como solução, a equipe de pesquisa da Universidade de Michigan desenvolveu um método que usa feixes de luz helicoidais para produzir hélices em nanoescala com lateralidade e passo específicos.
“Superfícies plasmônicas quirais em escala centimétrica podem ser produzidas em minutos usando lasers baratos de média potência. Foi incrível ver a rapidez com que estas florestas helicoidais crescem”, disse Kotov. A impressão 3D de estruturas helicoidais por luz helicoidal é baseada na transferência de quiralidade luz-matéria descoberta na Universidade de Michigan há cerca de 10 anos.
A impressão de gravação direta em etapa única, sem máscara, a partir de soluções aquosas de sal de prata, oferece uma alternativa à nanolitografia, ao mesmo tempo que avança a fabricação aditiva. Espera-se que a simplicidade do processamento, a rotação de alta polarização e a resolução espacial fina da impressão de hélices de metal acionadas por luz acelerem enormemente a preparação de uma arquitetura complexa em nanoescala para a próxima geração de chips ópticos.
Este trabalho foi financiado pela bolsa de estudos Vannevar Bush do Departamento de Defesa dos EUA para Nicholas Kotov (ONR N000141812876), pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA (HQ00342010033; N00014-20-1-2479), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA (AFOSR FA9550-20-1-0265) e a National Science Foundation (CMMI-1463474; NSF 2243104; CHE-1807676).
Coautores adicionais da Universidade de Michigan incluem Connor McGlothin, Minjeong Cha, Zechariah J. Pfaffenberger, Emine Sumeyra Turali Emre, Wonjin Choi, Sanghoon Kim e Julie S. Biteen. Para saber mais sobre a pesquisa acesse o site.
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