Колоидният диамант е мечта на изследователите от 90-те години на миналия век. Тези структури - стабилни, самостоятелно образуващи се от миниатюрни материали, имат потенциала да направят светлинните вълни толкова полезни, колкото електроните в електрониката, и обещават множество други приложения. Но макар идеята за колоидните диаманти е разработена преди десетилетия, никой не е успял да произведе надеждно такива структури. Досега.

Изследователи, водени от Дейвид Пайн, професор по химично и биомолекулярно инженерство в NYU Tandon School of Engineering и професор по физика в университета на Ню Йорк са разработили нов процес за надеждно самосглобяване на колоиди в диамантена формация, който може да доведе до тяхното евтино масово производство. Откритието е публикувано в Nature.

То може да отвори вратата за високоефективни оптични вериги, напредък в оптичните компютри и лазери, светлинни филтри, които са по-надеждни и по-евтини за производство от всякога, и още много други.

Пайн и колегите му, включително водещият автор Минсин Хе, постдокторант в Катедрата по физика в Нюйоркския университет и Стефано Сакана, доцент по химия там, изучават колоидите и възможните начини за тяхното структуриране от десетилетия.

Тези материали са изградени от сфери, стотици пъти по-малки от диаметъра на човешки косъм, които могат да бъдат подредени в различни кристални форми в зависимост от това как сферите са свързани помежду си. Всеки колоид се прикрепя към друг с нишки от ДНК, залепени за повърхности на колоидите. Когато колоидите се сблъскат помежду си в течна баня, ДНК се задържа и колоидите се свързват. В зависимост от това къде е прикрепена ДНК към колоида, те могат спонтанно да създадат сложни структури.

Този процес е използван за създаване на струни от колоиди и дори колоиди в кубична формация. Но тези структури не създадоха Свещения Граал на фотониката - лентов филтър за видима светлина. Подобно на полупроводника, който филтрира електрони във верига, лентовият филтър пропуска определени дължини на вълната на светлината. Филтрирането на светлината по този начин може да бъде надеждно, ако колоидите са подредени в диамантена формация. Но процесът се счита за твърде труден и скъп за извършване в комерсиален мащаб.

Изследователите откриват механизъм, който спонтанно създава необходимите шахматни връзки,  без трудоемкия и скъп процес на изграждане на тези структури чрез наномашини. Този механизъм позволява на колоидите да се структурират сами, без да е необходима външна намеса. Освен това диамантените структури са стабилни, дори когато течността, в която се образуват, се отстрани.

Откритието е направено, когато Хе - студент в нюйоркския университет по това време, забелязва необичайна характеристика на колоидите, които синтезира в пирамидална формация. Той и колегите му изследвали всички начини, по които тези структури могат да бъдат свързани. Когато това се случило, те осъзнали, че са попаднали на правилния метод. "След създаването на всички тези модели веднага видяхме, че сме създали диаманти", казва Хе.

Първите самосглобени колоидни диамантени решетки ще отворят нови възможности за изследвания и развитие на важни технологии на Министерството на отбраната, казва д-р Иън Рънърстрьом, мениджър на програмата ARO, елемент от армейската изследователска лаборатория на командването за развитие на бойните способности на американската армия.

Той обясни, че потенциалното бъдещо развитие включва прилагането на 3D фотонните кристали във високоефективни лазери, за намалено тегло и енергийни нужди на прецизни сензори и насочени енергийни системи, за прецизен контрол на светлината в 3D интегрални фотонни схеми и други.

Военната програма ARO подкрепя високорискови изследвания с висок ефект, отдолу-нагоре, за създаване на необикновени материали, които преди това е било невъзможно да се направят.

Екипът, който включва още Джон Галес, студент по физика в университета на Ню Йорк, и Чей Гон, постдокторант в Университета на Пенсилвания, също бивш студент по химия в Ню Йорк, сега са фокусирани върху това как тези колоидни диаманти могат да бъдат използвани на практика. Те вече създават материали, използвайки новите си структури, които могат да филтрират оптичните дължини на вълните, за да докажат тяхната полезност в бъдещите технологии.

Mingxin He et al, Colloidal diamond, Nature 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2718-6