Хімікам вдалося зібрати кубічну решітку алмазу з колоїдних частинок. Структури з такою кристалічною решіткою можуть придушувати спонтанне випромінювання світла і тому корисні для створення оптичних хвилеводів, фільтрів або лазерних резонаторів. Роботу опубліковано в журналі.
Колоїдні кристали зазвичай отримують з розчинів методом самозбірки. Дрібні нерозчинні частинки в розчині під дією сили тяжкості в найпростішому випадку збираються в упорядковані структури. Для того щоб частинки розуміли, як потрібно вибудовуватися, до них можна пришивати різні молекули, які з'єднуються в розчині і формують задану структуру з частинок. Найчастіше такий метод формування структур використовують для виготовлення фотонних кристалів. Колоїдні частинки, зібрані в кубічну решітку алмазу, складають матеріал, який володіє відмінними оптичними властивостями. Він пригнічує спонтанне випромінювання світла і може бути використаний для поліпшення технологій, в яких необхідно збирати світло. Решітка алмазу (у вузлах решітки необов'язково повинен бути вуглець - в даному випадку значення має тільки структура цієї решітки) на відміну від поширеної гранецентрованої решітки має більш широку заборонену зону і менш чутлива до дефектів. Крім цього для створення структури алмазу потрібні матеріали з відзнакою показника заломлення приблизно в два рази, що можна реалізувати за допомогою відомих матеріалів. Однак, процес самозбірки решітки алмазу значно складніший з технологічної точки зору, ніж формування гранецентрованих решіток.
Вчені під керівництвом Девіда Пайна (David J Pine) з Університету Нью-Йорка змогли подолати складнощі в технології складання кубічних алмазних решіток і створили структури на їх основі з колоїдних частинок.
Складність у формуванні заданої решітки кристала полягає в методі з'єднання частинок. Якщо взяти дві шароподібні частинки, у кожної з яких є ділянка зв'язування (своєрідний клей), то вони можуть склеїтися під яким завгодно кутом і в якій завгодно орієнтації. Для того щоб цьому запобігти, автори замість одиночних частинок використовували кластери з чотирьох частинок, які були зібрані в тетраедр. Такі кластери можуть з'єднуватися тільки одним способом - в шаховому порядку, що спрощує самозбирання алмазних кристалічних решіток. Вибір тетраедра у вигляді кластера не випадковий - зв'язки частинки, яка знаходиться у вузлі кристалічної решітки алмазу, утворюють саме тетраедр.
Для експерименту вчені використовували тверді наночастинки з полістиролу, які з'єднували за допомогою рідкої краплі полімеру. При певних пропорціях рідкої та твердої складової можливе формування необхідних тетрагональних частинок. А зміна зовнішніх параметрів (температури, тиску) впливала на відстань між частинками в тетраедрі, що дозволяло формувати решітки з різними елементарними частинками в їх вузлах.
Перевірку отриманих структур вчені здійснювали за допомогою растрового електронного мікроскопа та вимірювання флуоресценції. Вони додавали флуоресцентні мітки в рідку краплю перед формуванням тетрагональних частинок і потім спостерігали підсумкову структуру в мікроскоп. Ці зображення з високою точністю збіглися з результатами моделювання кубічної решітки алмазу з колоїдних частинок.
Показник заломлення зібраних структур виявився недостатнім для формування фотонних кристалів у видимому і ближньому інфрачервоному діапазоні довжин хвиль. Для вирішення цієї проблеми автори виготовили зворотні решітки. Вони використовували підсумкові кристали як трафарети, заповнювали вільний простір в них матеріалом у більш високим коефіцієнтом заломлення (оксид титану - 2.6 і кремній - 3.4) і видаляли колоїдні частинки. Зворотні решітки мають більш широку заборонену зону, що важливо для фотонних кристалів. Крім цього, її можна контролювати зміною щільності тетрагональних частинок і застосовувати кристали для різних довжин хвиль.
Колоїдні кристали застосовуються не тільки в створенні оптичних елементів. Наприклад, японські хіміки синтезували новий тип барвника, який змінює свій колір, з використанням колоїдних кристалів. А як колоїдні частинки можна використовувати квантові точки, як це зробили американські хіміки для каталізу реакції отримання похідних циклобутана.