Un nouveau processus de fabrication de nanoparticules métalliques hélicoïdales offre un moyen plus simple et moins coûteux de produire rapidement un matériau essentiel aux dispositifs biomédicaux et optiques, selon une étude menée par des chercheurs de l’Université du Michigan.
« L’une de nos motivations est de simplifier considérablement la fabrication de matériaux complexes qui représentent des goulots d’étranglement dans de nombreuses technologies actuelles », a déclaré Nicholas Kotov, professeur distingué Irving Langmuir de sciences chimiques et d’ingénierie à l’UM et co-auteur correspondant de l’étude. publié dans Actes de l’Académie nationale des sciences.
Les surfaces chirales – c’est-à-dire qu’elles manquent de symétrie miroir (par exemple, une main gauche et une main droite) – qui ont la capacité de courber la lumière à l’échelle nanométrique sont très demandées. La nouvelle étude démontre un moyen 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 des métaux plasmoniques sont encore plus souhaitables car elles peuvent produire une large famille de biodétecteurs très sensibles. Par exemple, ils peuvent détecter des biomolécules spécifiques, produites par des substances dangereuses. bactéries résistantes aux médicaments, des protéines mutées ou de l’ADN, qui peuvent faciliter le développement de thérapies ciblées. Ces matériaux offrent également le potentiel de 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 fibres optiques).
Bien que ces surfaces spéciales structurées en 3D à partir d’hélices verticales soient indispensables, les méthodes traditionnelles pour les fabriquer sont complexes, coûteuses et génèrent beaucoup de déchets.
Le plus souvent, ces matériaux sont fabriqués à l’aide de matériel hautement spécialisé, tel que la lithographie 3D à deux photons ou le dépôt induit par faisceau d’ions/électrons, disponible uniquement dans quelques installations haut de gamme. Bien que précises, ces méthodes impliquent un traitement long et en plusieurs étapes dans des conditions de basse pression ou de température élevée.
L’impression 3D a été suggérée comme alternative, mais les technologies d’impression 3D existantes ne permettent pas une résolution à l’échelle nanométrique. En guise de solution, l’équipe de recherche de l’UM a développé une méthode qui utilise des faisceaux lumineux hélicoïdaux pour produire des hélices à l’échelle nanométrique avec une maniabilité et un pas spécifiques.
« Des surfaces plasmoniques chirales à l’échelle centimétrique peuvent être produites en quelques minutes à l’aide de lasers de puissance moyenne peu coûteux. C’était étonnant de voir à quelle vitesse ces forêts hélicoïdales se développent », a déclaré Kotov.
L’impression 3D de structures hélicoïdales par lumière hélicoïdale est basée sur la transfert de chiralité lumière-matière découvert à l’UM il y a environ 10 ans.
L’impression par écriture directe en une seule étape, sans masque, à partir de solutions aqueuses de sel d’argent offre une alternative à la nanolithographie tout en faisant progresser la fabrication additive 3D. La simplicité du traitement, la rotation de polarisation élevée et la résolution spatiale fine de l’impression lumineuse d’hélices à partir de métal accéléreront considérablement la préparation d’une architecture complexe à l’échelle nanométrique pour la prochaine génération de puces optiques.
Plus d’information:
Ji-Young Kim et al, Impression 3D à écriture directe de nanohélicoïdes plasmoniques par lumière polarisée circulairement, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2312082121