Diamante coloidal pode trocar elétrons por luz em processadores

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/09/2020

O diamante coloidal é feito de micropartículas transparentes montadas usando moléculas de DNA.
[Imagem: Mingxin He et al. - 10.1038/s41586-020-2718-6]

Diamante coloidal

Produzir um diamante coloidal tem sido o sonho dos pesquisadores há décadas, desde que o físico Eli Yablonovitch previu a existência de materiais que ele chamou de cristais fotônicos com hiato de energia (bandgap).

Essas estruturas - formações automontáveis e estáveis de materiais em nanoescala - têm o potencial para tornar as ondas de luz tão úteis quanto os elétrons na computação, além de serem promissoras para uma série de outras aplicações.

Finalmente, Mingxin He e colegas da Universidade de Nova Iorque, nos EUA, desenvolveram um processo para a automontagem confiável de coloides em uma formação de diamante que poderá permitir a fabricação dessas estruturas em larga escala e com custo baixo.

Quando disponíveis em escala comercial, esses materiais poderão viabilizar a fabricação de circuitos ópticos altamente eficientes, levando a avanços em computadores ópticos e lasers, filtros de luz e muito mais.

Cristais fotônicos com hiato de banda

O diamante coloidal não é propriamente um diamante: É um aglomerado de nano e micro-partículas transparentes que se estruturam na forma de um cristal no qual as partículas se organizam da mesma forma que os átomos de carbono se organizam em um diamante.

Na verdade, as partículas são de plástico, e a estrutura do material lembra mais a pedra semipreciosa opala do que um diamante - as opalas são cristais coloidais fossilizados formados por partículas de sílica.

Ilustração do processo de montagem do diamante coloidal.
[Imagem: 10.1038/s41586-020-2718-6]

O novo material pode ser organizado em diferentes formas cristalinas, dependendo de como as esferas transparentes são ligadas umas às outras. Cada coloide se liga a outro usando fitas de DNA coladas às suas superfícies, que funcionam como uma espécie de velcro molecular.

Quando os coloides colidem uns com os outros em uma solução, os fragmentos de DNA e as partículas se ligam. Dependendo de onde o DNA está ligado ao coloide, as partículas podem criar estruturas complexas espontaneamente.

Esse processo tem sido usado para criar cadeias de coloides e até mesmo coloides em uma formação cúbica. Mas essas estruturas não geram o Santo Graal da fotônica: Um hiato, ou lacuna, de banda para a luz visível.

Assim como um semicondutor filtra os elétrons em um circuito, essa lacuna de banda filtra determinados comprimentos de onda da luz. A filtragem da luz deste modo pode ser feita de forma confiável por coloides se eles estiverem dispostos em uma formação de diamante, um processo até agora considerado muito difícil e caro para ser executado em escala comercial.

Foi isso que os pesquisadores descobriram agora como fazer de forma simples e rápida.

"A maioria dos pesquisadores desistiu, para falar a verdade - podemos ser o único grupo no mundo que ainda está trabalhando nisso. Então, acho que a publicação do artigo será uma surpresa para a comunidade," disse o professor David Pine, coordenador da equipe.

A estrutura das partículas permite manipular a luz com uma precisão inalcançável por outros meios.
[Imagem: David Pine Lab]

Estrutura do cristal de diamante

Mingxin He e seus colegas descobriram como usar um mecanismo de bloqueio que produz espontaneamente as ligações das partículas seguindo a forma de degraus, necessárias para criar uma estrutura piramidal. Quando esses coloides piramidais se aproximam, eles se ligam na orientação necessária para gerar uma estrutura similar à do cristal de diamante.

Em lugar do processo meticuloso e caro de construir essas estruturas por meio do uso de nanomáquinas, esse mecanismo permite que os coloides se estruturem autonomamente, sem a necessidade de interferência externa. Além disso, as estruturas de diamante são estáveis, mesmo quando o líquido em que se formam é removido.

Segundo Mingxin He, os diamantes coloidais poderão ser usados em avanços que incluem aplicações para lasers de alta eficiência com peso reduzido e fontes de energia para sensores de precisão e sistemas de energia dirigida - além do controle preciso da luz para circuitos integrados fotônicos, os processadores que funcionarão com luz em vez de eletricidade.

Mais tópicos