As perspectivas oferecidas pelas nanotecnologias dependem fortemente de sua capacidade de nanomodular materiais com alta resolução, baixo custo e em amostras macroscópicas. A plasmônica, a nanofotônica e a optoeletrônica são exemplos entre os mais ativos de domínios de pesquisa que exigem tal nanomodulação.
Na abordagem inovadora descrita neste trabalho, uma camada de nanopartículas flutuando na interface ar/água é transferida por simples contato em um substrato nanomodulado, preenchendo simultaneamente todos os orifícios que formam o padrão.
As imagens de microscópio eletrônico mostram nanocubos de prata (55 nm de lado) dispostos com precisão e em diferentes escalas, com uma resolução equivalente ao seu tamanho. A disposição regular desses "meta-átomos" em uma superfície dota esta última de funcionalidades ópticas que permitem a criação de componentes ópticos ultra-finos.
© Muhammad L. Fajri et al.
Em geral, as vantagens de uma nanomodulação da matéria são demonstradas por meio de uma experiência de pesquisa que requer a fabricação de uma amostra particular via uma abordagem chamada descendente, que consiste em esculpir a matéria por etapas de deposição, litografia e gravação, mas o custo e a complexidade dos processos de nanotecnologia empregados levantam questões profundas sobre a viabilidade industrial dos materiais obtidos, especialmente quando se considera a fabricação das quantidades macroscópicas desses materiais necessárias para suas aplicações concretas.
Uma abordagem alternativa, chamada ascendente, consiste em combinar a síntese coloidal com a autoagregação dirigida, permitindo a fabricação de nanopadrões (redes pequenas de coloides montados e/ou sinterizados) com materiais de alta qualidade e com perspectivas concretas de produção em escala macroscópica a um custo razoável.
A técnica de referência para a montagem dirigida utiliza uma gota de solução coloidal muito concentrada que é deslizada sobre o substrato, um elastômero nanomodulado com orifícios embutidos por moldagem. À medida que a gota passa, as nanopartículas descem pelos buracos e ficam presas neles, em um processo dinâmico complexo que envolve várias forças (capilares, de fricção, de adesão), mas que é infelizmente bastante suscetível a instabilidades e limita essa técnica à criação de "meta-átomos" 1D e com baixa densidade.
Devido a isso, a criação de materiais coloidais em nanopadrões de alta resolução, sem defeitos e respeitando geometrias arbitrariamente complexas estava fora do alcance dessa técnica de deposição dinâmica.
Em um trabalho recente, pesquisadores do Centro Interdisciplinar de Nanociência de Marselha (CINaM, Universidade Aix-Marselha/CNRS), do Centro de Pesquisa sobre Heteroepitaxia e suas Aplicações (CRHEA, CNRS/Universidade Côte d'Azur) e do Instituto de Materiais Microeletrônica Nanociências de Provence (IM2NP, Universidade Aix-Marselha/CNRS/Universidade de Toulon) melhoraram consideravelmente o desempenho desse tipo de abordagem.
A ideia inovadora foi começar com uma camada de nanopartículas flutuando na interface ar/água, em vez de uma gota concentrada. Isso permite, ao mesmo tempo, uma concentração muito alta, mas também uma ótima estabilidade (ausência de interações causadas por fluxos, geradoras de instabilidade) e alta mobilidade.
Essa camada flutuante é transferida por simples contato para o substrato nanomodulado, preenchendo todos os orifícios que formam o padrão simultaneamente. Graças a essa modalidade de montagem que, em comparação com o método que melhora, pode ser chamada de "quase estática", a forma, a densidade e a organização dos padrões não determinam mais o sucesso ou o fracasso do processo de fabricação.
Os pesquisadores demonstram neste trabalho a possibilidade de obter meta-átomos 2D (padrões coloidais depositados em uma lâmina de vidro) com verdadeira liberdade em relação à sua geometria e complexidade (eles realizam, assim, padrões em forma de peças de Tetris ou formando a palavra CNRS, por exemplo), o que não era possível até então.
Esse sucesso, aliado à capacidade de produzir tais arranjos de forma periódica em grandes superfícies, faz dessa nova técnica uma inovação disruptiva no campo das metasuperfícies para óptica e nanofotônica. Como prova de conceito, eles propõem uma metasuperfície que, graças à sua fase geométrica, "esculpe" de maneira muito particular a reflexão de uma luz polarizada circularmente, sem equivalente nos materiais tradicionais.
Essa abordagem inovadora de montagem de meta-átomos é o ponto de partida para a realização totalmente ascendente de metasuperfícies, mas também constituirá a médio prazo uma caixa de ferramentas poderosa para criar e estudar novos nano-objetos extremamente difíceis, ou até impossíveis, de serem sintetizados por via química. Esses resultados foram publicados na revista ACS Nano.
Referência:
Designer Metasurfaces via Nanocube Assembly at the Air−Water Interface,
ACS Nano, publicado em 19 de agosto de 2024.
Doi: 10.1021/acsnano.4c06022
Arquivo aberto: HAL