Une méthode simple et évolutive utilisant la lumière pour imprimer en 3D des nanostructures hélicoïdales

18 mars 2024

Cet article a été revu conformément au processus éditorial de Science X et à ses politiques. Les éditeurs ont mis en évidence les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

• vérifié les faits
• source fiable
• relu

par Patricia DeLacey, Université du Michigan, Faculté de génie

Un nouveau processus de fabrication pour les nanoparticules métalliques hélicoïdales offre un moyen plus simple et moins cher de produire rapidement un matériel essentiel pour les dispositifs biomédicaux et optiques, selon une étude de chercheurs de l'Université du Michigan.

'L'un de nos motifs est de simplifier radicalement la fabrication de matériaux complexes qui représentent des goulots d'étranglement dans de nombreuses technologies actuelles', a déclaré Nicholas Kotov, Professeur Universitaire Distingué Irving Langmuir en Sciences Chimiques et Ingénierie à l'U-M et co-auteur correspondant de l'étude, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.

Les surfaces chirales - c'est-à-dire que la surface manque de symétrie miroir (par exemple, une main gauche et une main droite) - qui ont la capacité de plier la lumière à l'échelle nanométrique sont très demandées. La nouvelle étude démontre une façon de les fabriquer en imprimant en 3D des 'forêts' d'hélices à l'échelle nanométrique. L'alignement des axes des hélices avec un faisceau lumineux crée une forte rotation optique, permettant d'exploiter la chiralité dans les technologies de la santé et de l'information, pour lesquelles la chiralité est courante.

Les surfaces chirales à partir de métaux plasmoniques sont encore plus souhaitables car elles peuvent produire une grande famille de biodétecteurs très sensibles. Par exemple, ils peuvent détecter des biomolécules spécifiques - produites par des bactéries résistantes aux médicaments dangereux, des protéines mutées ou de l'ADN - qui peuvent aider le développement de thérapeutiques ciblées. Ces matériaux offrent également un potentiel pour faire progresser les technologies de l'information, en créant de plus grandes capacités de stockage de données et des vitesses de traitement plus rapides en exploitant l'interaction de la lumière avec les systèmes électroniques (c'est-à-dire, les câbles à fibre optique).

Bien que ces surfaces 3D structurées spéciales à partir d'hélices debout soient très nécessaires, les méthodes traditionnelles pour les fabriquer sont complexes, coûteuses et créent beaucoup de déchets.

Le plus souvent, ces matériaux sont fabriqués à l'aide de matériel hautement spécialisé - tels que la lithographie 3D à deux photons ou la déposition induite par un faisceau d'ions/électrons - uniquement disponibles dans quelques installations haut de gamme. Bien que précises, ces méthodes impliquent un traitement en plusieurs étapes, long et consommateur de temps, à basse pression ou à haute température.

L'impression 3D a été suggérée comme une alternative, mais les technologies d'impression 3D existantes ne permettent pas une résolution à l'échelle nanométrique. En solution, l'équipe de recherche de l'U-M a mis au point une méthode qui utilise des faisceaux lumineux hélicoïdaux pour produire des hélices à l'échelle nanométrique avec une chiralité et un pas spécifiques.

'Des surfaces plasmoniques chirales à l'échelle du centimètre peuvent être produites en quelques minutes à l'aide de lasers de puissance moyenne peu coûteux. C'était incroyable de voir à quelle vitesse ces forêts hélicoïdales poussent', a déclaré Kotov.

L'impression 3D de structures hélicoïdales par la lumière hélicoïdale est basée sur le transfert de chiralité de la lumière à la matière découvert à l'U-M il y a environ 10 ans.

L'impression directe en une seule étape, sans masque, à partir de solutions aqueuses de sel d'argent offre une alternative à la nanolithographie tout en favorisant la fabrication additive 3D. La simplicité du traitement, la forte rotation de la polarisation et la fine résolution spatiale de l'impression guidée par la lumière d'hélices à partir de métal accéléreront grandement la préparation d'une architecture nanométrique complexe pour la prochaine génération de puces optiques.

Fourni par Université du Michigan, Faculté de génie