Un metodo semplice e scalabile che utilizza la luce per stampare in 3D nanostrutture elicoidali

18 marzo 2024

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da Patricia DeLacey, Università del Michigan College of Engineering

Un nuovo processo di fabbricazione per nanoparticelle metalliche elicoidali fornisce un modo più semplice ed economico per produrre rapidamente un materiale essenziale per dispositivi bio-medici ed ottici, secondo uno studio dei ricercatori dell'Università del Michigan.

"Uno dei nostri motivi è semplificare drasticamente la produzione di materiali complessi che rappresentano colli di bottiglia in molte tecnologie attuali", ha detto Nicholas Kotov, il Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering presso U-M e coautore corrispondente dello studio, pubblicato in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Le superfici chirali, che non hanno simmetria speculare (ad esempio, una mano sinistra e destra) e che hanno la capacità di curvare la luce su scala nanometrica, sono molto richieste. Il nuovo studio dimostra un modo per realizzarle stampando in 3D "foreste" di eliche in scala nanometrica. Allineare gli assi delle eliche con un fascio di luce crea una forte rotazione ottica, consentendo di sfruttare la chiralità in sanità e tecnologie dell'informazione, nel cui ambito la chiralità è comune.

Le superfici chirali da metalli plasmonici sono ancora più desiderabili perché possono produrre una grande famiglia di biodetectori molto sensibili. Ad esempio, possono rilevare biomolecole specifiche - prodotte da batteri pericolosi resistenti ai farmaci, proteine mutate o DNA - che possono aiutare lo sviluppo di terapie mirate. Questi materiali offrono anche un potenziale per far avanzare le tecnologie dell'informazione, creando capacità di archiviazione di dati più grandi e velocità di elaborazione più veloci sfruttando l'interazione della luce con i sistemi elettronici (cioè, cavi a fibre ottiche).

Sebbene queste particolari superfici 3D strutturate da eliche in piedi siano molto necessarie, i metodi tradizionali per realizzarle sono complessi, costosi e producono molti rifiuti.

Questi materiali vengono comunemente realizzati utilizzando hardware altamente specializzato, disponibile solo in poche strutture ad alta tecnologia. Sebbene precisi, questi metodi comportano processi in più fasi, che richiedono molto tempo, a basse pressioni o alte temperature.

La stampa 3D è stata suggerita come alternativa, ma le attuali tecnologie di stampa 3D non consentono una risoluzione di nanoscala. Come soluzione, il team di ricerca di U-M ha sviluppato un metodo che utilizza fasci di luce elicoidali per produrre eliche di nanoscala con una specifica manualità e passo.

"Le superfici plasmoniche chirali di scala centimetrica possono essere prodotte in pochi minuti utilizzando laser di media potenza economici. È stato incredibile vedere quanto rapidamente crescono queste foreste elicoidali", ha detto Kotov.

La stampa 3D di strutture elicoidali tramite luce elicoidale si basa sul trasferimento di chiralità dalla luce alla materia scoperto presso U-M circa 10 anni fa.

La stampa diretta, senza maschera e in un solo passaggio da soluzioni acquose di sale d'argento offre un'alternativa alla nanolitografia mentre fa avanzare la produzione additiva 3D. La semplicità del processo, l'alta rotazione della polarizzazione e la fine risoluzione spaziale della stampa guidata dalla luce di eliche metalliche accelereranno notevolmente la preparazione di architetture nanometriche complesse per la prossima generazione di chip ottici.

Ulteriori informazioni: Ji-Young Kim et al, stampa 3D diretta di nanohelicoidi plasmonici da luce polarizzata circolarmente, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024).

Fornito da Università del Michigan College of Engineering