Impressão de cristais fotônicos 3D que bloqueiam completamente a luz

Cristais fotônicos são materiais com estruturas internas repetidas que interagem com a luz de maneiras únicas. Podemos encontrar exemplos naturais em opalas e nas conchas coloridas vibrantes de alguns insetos. Embora esses cristais sejam feitos de materiais transparentes, eles exibem uma “banda proibida fotônica” que bloqueia a luz em certos comprimentos de onda e direções.

Um tipo especial desse efeito é uma “lacuna de banda fotônica completa”, que bloqueia a luz de todas as direções. Essa lacuna de banda completa permite o controle preciso da luz, abrindo possibilidades para avanços em telecomunicações, sensoriamento e tecnologias quânticas. Como resultado, os cientistas têm trabalhado em diferentes métodos para criar esses cristais fotônicos avançados.

Embora cristais fotônicos 1D e 2D tenham sido usados ​​em várias aplicações, desvendar o segredo para produzir cristais fotônicos 3D com uma banda fotônica completa na faixa visível tem sido repleto de desafios devido à necessidade de obter controle preciso em nanoescala de todas as três dimensões no processo de fabricação.

Tudo isso está prestes a mudar. Em um estudo, “Impressão de cristais fotônicos 3D em titânia com banda proibida completa em todo o espectro visível” publicado em Nanotecnologia da Natureza, pesquisadores de instituições em Cingapura e China alcançaram um feito sem precedentes. Liderada pelo Professor Joel Yang da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD), a equipe desenvolveu um método revolucionário para imprimir cristais fotônicos 3D usando uma resina de titânio personalizada.

Diferentemente de tentativas anteriores, esse novo método resultou em cristais de alta resolução, que possuem alto índice de refração e apresentam uma lacuna de banda completa em toda a faixa de luz visível. A inovação tem imenso potencial para transformar indústrias.

“Por décadas, pesquisadores têm tentado produzir cristais fotônicos que bloqueiem completamente a luz na faixa visível. Esses cristais terão uso potencial no controle 3D elaborado do fluxo de luz, no comportamento de emissores de fótons únicos e no processamento de informações quânticas”, explicou o Dr. Zhang Wang, pesquisador da SUTD e primeiro autor do artigo.

A equipe da SUTD fabricou seu cristal fotônico 3D recorrendo a várias disciplinas como ciência de materiais, óptica e técnicas de fabricação. Para imprimir os cristais, a equipe recorreu à litografia de polimerização de dois fótons (TPL), uma técnica usada na manufatura aditiva. As resinas disponíveis comercialmente usadas na impressão TPL são feitas de materiais orgânicos que têm um baixo índice de refração. Isso significava que seria impossível para qualquer estrutura impressa bloquear o espectro completo da luz visível.

O dióxido de titânio, por outro lado, é um material inorgânico com um índice de refração muito alto. De fato, o dióxido de titânio, também conhecido como titânia, já está sendo explorado em outros campos por suas propriedades ópticas.

“Ele é usado por suas propriedades de clareamento devido à dispersão de luz das partículas de titânia, e é encontrado em itens de consumo comuns, como pasta de dente e protetor solar, e em superfícies autolimpantes”, disse o Prof. Yang.

A equipe primeiro desenvolveu uma resina de titânio feita sob medida, então imprimiu cristais fotônicos usando TPL padrão antes de aquecê-los no ar para remover componentes orgânicos dos cristais. O processo de aquecimento também oxidou os íons de titânio dentro dos cristais, transformando os íons em dióxido de titânio, ou seja, titânia.

“A estrutura dos cristais encolhe aproximadamente seis vezes durante o processo de aquecimento, e seu pitch pode se tornar tão pequeno quanto 180 nm após o encolhimento”, disse o Dr. Zhang. O pitch se refere à distância entre diferentes camadas dentro do cristal impresso; quanto menor o pitch, mais aprimorada a resolução.

Após fabricar com sucesso os cristais fotônicos em uma resolução muito alta, a equipe observou uma lacuna de banda fotônica completa em toda a faixa visível nessas estruturas 3D. Isso abre muitas possibilidades: tais estruturas podem ser usadas para aplicações como geração de cores e guias de onda. Além disso, a personalização inerente ao TPL significa que os cristais impressos podem ser modificados para propósitos específicos, como pela introdução de defeitos intencionais dentro das estruturas.

A equipe de pesquisa prevê aplicações mais amplas além da criação de cristais fotônicos 3D. O desenvolvimento bem-sucedido dessa técnica de impressão 3D, utilizando resina de titânio para atingir uma lacuna de banda fotônica completa no espectro visível, representa um avanço significativo no campo da fotônica.

De acordo com o Dr. Zhang, o processo promete ser uma plataforma versátil para fabricar materiais diversos — incluindo vidro, cerâmica e metais — na nanoescala. Espera-se que essa versatilidade crie novos caminhos de exploração à medida que os pesquisadores experimentam diferentes materiais e configurações de nanoestrutura.

“Este estudo colaborativo expandiu os limites da ciência dos materiais e do design e tecnologias de processos de nanofabricação”, acrescentou o Prof. Yang. “Ele também reflete a missão da SUTD de recorrer a múltiplas disciplinas para causar um impacto positivo na sociedade.”