03/06/2019
Door Ad Spijkers
Aan het Institut für Physikalische Chemie aan de Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ontstaan ultradunne, zeer geordende lagen van hydrogelkogels waarin goud- of zilverdeeltjes zijn ingesloten.
De werkgroep Colloïden en Nano-optiek aan het instituut heeft een eenvoudige en tegelijkertijd nauwkeurige techniek ontwikkeld om zeer geordende deeltjeslagen te ontwikkelen. De onderzoekers maken gebruik van minuscuul kleine, zachte en deformeerbare polymeerkogels met een hydrogel-achtige structuur. Hydrogels zijn in water opgezwollen driedimensionale netwerken. Zulke structuren kent men bijvoorbeeld van superabsorbenten in babyluiers, die in staat zijn grote hoeveelheden water te binden.
Binnen deze kogeltjes bevinden zich slechts enkele nanometers grote goud- respectievelijk zilverdeeltjes, die de onderzoekers zelf in een reductieproces uit metaalzouten maken. Ze kunnen de grootte van de gouddeeltjes nauwkeurig instellen, want de hydrogelomhulsels zijn doorlaatbaar voor opgeloste metaalzouten. Hierdoor wordt een verdere aangroei mogelijk. De opbouw van de kernschaaldeeltjes kan men vergelijken met die van een kers: de deeltjes uit het laboratorium zijn echter 100.000 keer kleiner.
Geordende laag
Uit een verdunde oplossing van deze hydrogelkogeltjes kunnen de onderzoekers vervolgens dunne lagen maken. Ze leggen de kogeltjes op een wateroppervlak, waarna zich een zeer geordende en kleurrijke laag vormt. Ze tillen deze laag van het wateroppervlak met behulp van glazen dragers.
Bekijkt men deze laag onder de elektronenmicroscoop, dan ziet men een regelmatig zeshoekig patroon van kleine puntjes. Dit zijn de gouddeeltjes in hun omhulling en deze liggen in een enkele, zeer geordende laag. De gouddeeltjes reflecteren bepaalde golflengten van het zichtbare licht, dat interfereert en aldus onder verschillende hoeken een verschillende kleur lijkt te hebben.
Deze dunne lagen zijn interessant voor de opto-elektronica, dus datatransport en –verwerking met behulp van licht. Hiermee kan het bovendien mogelijk worden om miniatuurlasers te bouwen. Zulke lasers zijn slechts enkele nanometers groot en vormen een sleuteltechnologie in de nanofotonica.
Verdere ontwikkeling
In een onlangs gepubliceerde studie hebben de onderzoekers uit Düsseldorf een belangrijke horde op de route naar zulke nanolasers genomen. Ze konden de gouddeeltjes stimuleren tot collectieve trillingen door van buitenaf ingestraald licht. Elk gouddeeltje wordt dus niet individueel geëxciteerd, maar alle deeltjes trillen samen. Deze gemeenschappelijke trilling is de basisvoorwaarde voor de opbouw van lasers. Het bijzondere is dat de lagen met deeltjes niet alleen zeer eenvoudig en op grote oppervlakken kunnen worden opgebouwd, maar dat ze ook erg dun zijn.
Voor opto-elektronische toepassingen en nanolasers moeten de trillingen in de dunne lagen nog wel verder worden versterkt. De onderzoekers willen als volgende stap proberen om de excitatie door een doelgerichte dotering verder te versterken. Op de lange termijn zou het zo moeten lukken elektrisch te besturen nanolasers te realiseren.
Foto: Heinrich-Heine-Universität / Christoph Kawan