Одним из наиболее перспективных направлений в физике метаматериалов является использование процессов самосборки и методов молекулярных технологий для формирования структур с заранее заданными электромагнитными свойствами. В отличие от традиционных литографических и механических методов, подходы на основе молекулярной организации позволяют создавать структуры на наномасштабах с высокой степенью упорядоченности и воспроизводимости.
Самосборка определяется как процесс спонтанного образования упорядоченных структур из отдельных молекул или наночастиц под действием внутренних взаимодействий, таких как ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи, электростатические взаимодействия и гидрофобные эффекты. Этот механизм позволяет формировать функциональные метаматериалы без необходимости точного внешнего контроля каждой отдельной частицы.
Термодинамическая стабильность Формирование структуры происходит в направлении уменьшения свободной энергии системы. Равновесные конфигурации, обладающие наименьшей энергией, соответствуют наиболее стабильным наноструктурам.
Минимизация поверхностной энергии Частицы и молекулы стремятся к такому расположению, которое уменьшает границы раздела фаз и минимизирует энергетические затраты. Это свойство особенно важно при формировании наночастичных решёток.
Селективность взаимодействий За счёт функциональных групп или поверхностных модификаций можно управлять направленностью и прочностью взаимодействий, добиваясь создания заданной архитектуры.
Баланс между энтропийными и энтальпийными факторами В процессе самосборки учитывается не только энергетическая минимизация, но и статистическое распределение возможных конфигураций, что обуславливает разнообразие возможных структур.
1. Лангмюрово-Блоджеттовские плёнки Тонкие слои амфифильных молекул способны формировать упорядоченные двумерные кристаллы на границе раздела «воздух-вода». Перенос таких слоёв на твёрдые подложки позволяет создавать периодические структуры с характерными размерами порядка нанометров.
2. Самоорганизующиеся монослои (Self-Assembled Monolayers, SAMs) Функционализированные молекулы, например алкатиолаты на поверхности золота, формируют плотные монослои, которые могут использоваться как шаблоны для дальнейшего наноструктурирования или как активные элементы в оптических метаматериалах.
3. ДНК-нанотехнологии Благодаря предсказуемости комплементарного спаривания оснований, ДНК используется как «строительный конструктор» для сборки трёхмерных наноструктур, способных выполнять функции нанорезонаторов и управлять световыми полями на молекулярном уровне.
4. Блок-сополимеры Сегрегирующиеся домены в блок-сополимерах формируют регулярные наноструктуры: цилиндры, ламели, сферы. Контролируя длину блоков и химическую природу мономеров, можно создавать решётки с регулируемыми параметрами, подходящие для фотонных и плазмонных метаматериалов.
5. Колоидные кристаллы Наночастицы сферической формы (например, полистирол или кремнезём) способны к упорядочению в трёхмерные решётки по принципу плотной упаковки. Такие структуры применяются как фотонные кристаллы с запрещёнными зонами для определённых частот электромагнитного излучения.
Для достижения требуемых свойств метаматериала важно не только инициировать самосборку, но и направлять её ход. Управление осуществляется следующими методами:
Фотонные кристаллы Создание трёхмерных коллоидных решёток позволяет формировать запрещённые зоны для света, аналогичные энергетическим зонам в твёрдых телах, что делает возможным управление распространением электромагнитных волн.
Плазмонные метаматериалы Самосборка металлических наночастиц обеспечивает формирование коллективных резонансов плазмонов, что используется для создания сверхразрешающих линз и сенсоров с высокой чувствительностью.
Метаповерхности Упорядоченные двумерные структуры, полученные методом самосборки, позволяют управлять фазой, амплитудой и поляризацией отражённых или преломлённых волн.
Гибридные нанокомпозиты Совмещение органических и неорганических компонентов в результате самосборки открывает возможность создавать метаматериалы с уникальными механическими, оптическими и магнитными характеристиками.