(57)【要約】  ホログラフィック光学ピンセットを利用してフローセル内に帯電安定コロイド粒子を配置する。ひとたび粒子が配置されると、電解質溶液あるいはｐＨ調整溶液（あるいはその二つの組み合わせ）をポンピングすることで固定を達成する。前者の処理において、Ｄｅｂｙｅ長が減少し、ファン・デル・ワールス牽引力に起因する凝集が起こる。後者の処理において、懸濁液の表面電荷密度が減少し、ファン・デル・ワールス牽引力に起因する凝集が起こる。この技法は多数回適用でき、マルチコロイド種類からなる二次および三次元構造の形成を基板上に、あるいはそこから離れた位置に可能とする。この技法は略全てのコロイド分散体に作用する力に依っており、これにより、フォトニック結晶、コロイド電子、およびバイオ工学処理材料の構成など、幅広い種類のコロイドの種類および組成に適用可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一の多次元コロイド構造をアセンブルする方法であって、
一のサンプルチャンバを複数の帯電安定コロイド粒子の一の安定懸濁液で満たすことと、
前記複数の粒子をホログラフィック光学ピンセットでトラップすることと、
一の電解質溶液および一のｐＨ調整溶液のうちの少なくとも一方を前記サンプルチャンバに流し込むことで、前記懸濁液を不安定化することと、
ホログラフィック光学トラップを利用して個々の複数の粒子を前記基板の一の表面上に配置することおよび個々の複数の粒子を隣接する複数の粒子と接触するよう配置することで一の多次元構造を形成することのうちの一方を行うことで、前記トラップされた複数の粒子を互いに接触させることと、を含む方法。
【請求項２】
前記コロイドは一の単分散材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コロイドは一の生物材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記生物材料は、一のセルおよび一のベシクルのいずれかである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記コロイドは一の半導体材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記コロイドは、互いに、および前記基板との間で、のうちの一方において、一の牽引的なファン・デル・ワールス相互作用を生成する能力を持つ一の材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記基板は一のカバースリップである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記懸濁液は、二以上のコロイド種からの複数のコロイド粒子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記複数のコロイド粒子の一の材料および複数の次元特性に基づき、前記複数のコロイド粒子の一部分のみを凝集させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
多数のコロイド粒子の複数の多次元構造を形成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
入力シリンジ内を介して前記サンプルチャンバ内に電解質を導入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
トラップされた粒子の複数の群全体の一の焦点距離を調整することで、複数の粒子群を前記基板と接触させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記多次元コロイド構造は一のアレイであり、前記アレイは前記複数の粒子を一の二次元正方格子パターンに組み合わせることで形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
複数のアレイから一の三次元結晶を形成することおよび前記結晶を前記基板の上方に懸濁させることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板に対して前記結晶を回転させて、前記結晶を前記基板に堆積させる前に一の望ましい配向を達成することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の粒子の一の初期層を、前記初期層の前記複数の粒子の全てが前記基板と接触するまで前記光学トラップの一の集合の一の焦点距離を減少させることで、前記基板上の前記格子パターンとして堆積することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
追加的な個々の複数の粒子を前記格子パターン内に配置して、一の三次元コロイド構造として、複数の粒子の一の第二層を形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記初期層内および前記第二層内の前記複数の粒子は、異なる寸法である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記多次元構造を、臨界点乾燥なしに前記電解質溶液から除去することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記サンプルチャンバを、前記多次元構造を除去することなしに、前記懸濁液の一の静電反発力を増加する一の溶液でフラッシュすることと、
複数の帯電安定コロイド粒子の別の安定懸濁液を前記サンプルチャンバに導入することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記多次元構造は一のフォトニックバンドギャップ結晶である、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
一の光学トラップを適用して前記多次元構造を適所に固定するまで、前記多次元構造は前記溶液中に非結合状態である、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記多次元構造を前記溶液の集合により前記サンプルセルからフラッシュすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
一のマルチコロイド構造をアセンブルする装置であって、
複数の光学トラップを形成する一のホログラフィック光学ピンセットと、
一の基板と、
前記基板に堆積された一のサンプルチャンバと、
前記サンプルチャンバ内への一の入力管と、
前記サンプルチャンバからの一の出力管とを含む
一のサンプルセルと、
複数の帯電安定コロイド粒子の一の安定懸濁液と、
前記入力管を介して前記サンプルチャンバに導入される一の電解質とを含み、
前記複数の粒子は、前記ホログラフィック光学ピンセットによりトラップされることで前記多次元構造を形成する、装置。
【請求項２５】
一のシリンジポンプにより前記電解質をポンピングする一のシリンジをさらに含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記シリンジポンプは前記電解質の前記サンプルチャンバ内への一の流速を制御するのに利用される、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記コロイドは一の単分散材料である、請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
前記コロイドは一の生物材料である、請求項２４に記載の装置。
【請求項２９】
前記生物材料は、一のセルおよび一のベシクルのいずれかである、請求項２４に記載の装置。
【請求項３０】
前記コロイドは一の半導体材料である、請求項２４に記載の装置。
【請求項３１】
前記コロイドは、互いに、および前記基板との間で、のうちの一方において、一の牽引的なファン・デル・ワールス相互作用を生成する能力を持つ一の材料である、請求項２４に記載の装置。
【請求項３２】
前記基板は一のカバースリップである、請求項２４に記載の装置。
【請求項３３】
前記懸濁液は、二以上のコロイド種からの複数のコロイド粒子を含む、請求項２４に記載の装置。
【請求項３４】
前記複数のコロイド粒子の一の材料および複数の次元特性に基づき、前記複数のコロイド粒子の一部分のみが凝集される、請求項２４に記載の装置。
【請求項３５】
前記複数の多次元構造は多数のコロイド粒子である、請求項２４に記載の装置。
【請求項３６】
前記多次元コロイド構造は一のアレイであり、前記アレイは前記複数の粒子を一の二次元正方格子パターンに組み合わせることで形成される、請求項２４に記載の装置。
【請求項３７】
一の三次元結晶が複数のアレイから形成される、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記基板に対して前記結晶を回転させて、前記結晶を前記基板に堆積させる前に一の望ましい配向が達成される、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記多次元構造は、複数の粒子の一の初期層を含み、
前記初期層は、前記初期層の前記複数の粒子の全てが前記基板と接触するまで前記複数の光学トラップの一の集合の一の焦点距離を減少させることで、前記基板上の前記格子パターンとして堆積される、請求項３６に記載の装置。
【請求項４０】
前記多次元構造は、
前記格子パターン内に配置された追加的な個々の複数の粒子の一の第二層を含む、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記初期層内および前記第二層内の前記複数の粒子は、異なる寸法である、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記多次元構造は、臨界点乾燥なしに前記電解質溶液から除去される、請求項２４に記載の装置。
【請求項４３】
前記多次元構造は一のフォトニックバンドギャップ結晶である、請求項２４に記載の装置。
【請求項４４】
一のマルチコロイド構造をアセンブルする装置であって、
複数の光学トラップを形成する一のホログラフィック光学ピンセットと、
一の基板と、
前記基板に堆積された一のサンプルチャンバと、
前記サンプルチャンバ内への一の入力管と、
前記サンプルチャンバからの一の出力管とを含む
一のサンプルセルと、
複数の帯電安定コロイド粒子の一の安定懸濁液と、
前記サンプルチャンバに導入され、前記複数のコロイド粒子の一の帯電種に依り、酸性および基礎水準の一方に調整される、一のｐＨ調整溶液とを含み、
前記複数の粒子は、前記ホログラフィック光学ピンセットによりトラップされることで一の多次元構造を形成する、装置。
【請求項４５】
一のシリンジポンプにより前記電解質をポンピングする一のシリンジをさらに含む、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記シリンジポンプは前記電解質の前記サンプルチャンバ内への一の流速を制御するのに利用される、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記コロイドは一の単分散材料である、請求項４４に記載の装置。
【請求項４８】
前記コロイドは一の生物材料である、請求項４４に記載の装置。
【請求項４９】
前記生物材料は、一のセルおよび一のベシクルのいずれかである、請求項４４に記載の装置。
【請求項５０】
前記コロイドは一の半導体材料である、請求項４４に記載の装置。
【請求項５１】
前記コロイドは、互いに、および前記基板との間で、のうちの一方において、一の牽引的なファン・デル・ワールス相互作用を生成する能力を持つ一の材料である、請求項４４に記載の装置。
【請求項５２】
前記基板は一のカバースリップである、請求項４４に記載の装置。
【請求項５３】
前記懸濁液は、二以上のコロイド種からの複数のコロイド粒子を含む、請求項４４に記載の装置。
【請求項５４】
前記複数のコロイド粒子の一の材料および複数の次元特性に基づき、前記複数のコロイド粒子の一部分のみが凝集される、請求項４４に記載の装置。
【請求項５５】
前記複数の多次元構造は多数のコロイド粒子である、請求項４４に記載の装置。
【請求項５６】
トラップされた粒子の複数の群全体の一の焦点距離を調整することで、複数の粒子群を前記基板と接触させる、請求項４４に記載の装置。
【請求項５７】
前記多次元コロイド構造は一のアレイであり、前記アレイは前記複数の粒子を一の二次元正方格子パターンに組み合わせることで形成される、請求項４４に記載の装置。
【請求項５８】
一の三次元結晶が複数のアレイから形成され、前記基板の上方に懸濁される、請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記基板に対して前記結晶を回転させて、前記結晶を前記基板に堆積させる前に一の望ましい配向が達成される、請求項５８に記載の装置。
【請求項６０】
前記多次元構造は、複数の粒子の一の初期層を含み、
前記初期層は、前記初期層の前記複数の粒子の全てが前記基板と接触するまで前記複数の光学トラップの一の集合の一の焦点距離を減少させることで、前記基板上の前記格子パターンとして堆積される、請求項５７に記載の装置。
【請求項６１】
前記多次元構造は、
前記格子パターン内に配置された追加的な個々の複数の粒子の一の第二層を含む、請求項６０に記載の装置。
【請求項６２】
前記初期層内および前記第二層内の前記複数の粒子は、異なる寸法である、請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
前記多次元構造は、臨界点乾燥なしに前記電解質溶液から除去される、請求項４４に記載の装置。
【請求項６４】
前記多次元構造は一のフォトニックバンドギャップ結晶である、請求項４４に記載の装置。
【請求項６５】
一のマルチコロイド構造をアセンブルする装置であって、
複数の光学トラップを形成する一のホログラフィック光学ピンセットと、
一の基板と、
前記基板に堆積された一のサンプルチャンバと、
前記サンプルチャンバ内への一の入力管と、
前記サンプルチャンバからの一の出力管とを含む
一のサンプルセルと、
複数の帯電安定コロイド粒子の一の安定懸濁液と、
前記入力管を介して前記サンプルチャンバに導入される一の電解質と、
前記サンプルチャンバに導入され、前記複数のコロイド粒子の一の帯電種に依り、酸性および基礎水準の一方に調整される、一のｐＨ調整溶液とを含み、
前記複数の粒子は、前記ホログラフィック光学ピンセットによりトラップされることで一の多次元構造を形成する、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００５年７月１２日提出の米国仮特許出願番号６０／６９７，９４９の優先権を主張しており、その全体の内容をここに参照として組み込む。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ホログラフィック光トラップ（ＨＯＴ）を利用してコロイド粒子から永久多次元構造を形成する方法および装置に関する。
【０００３】
コロイド粒子から形成される構造は幅広い分野にわたる応用に非常に有望である。これら構造は典型的に数ナノメートルから数ミクロンの直径を持つ粒子からなり、特定の化学形態を持つ幅広い種類の材料から形成することができる。このターナビリティにより、研究者たちは興味深い光学的、電子的、および磁気的挙動を呈すことのできるデバイスを形成することができる。
【０００４】
二次元および三次元のコロイド構造の典型的形成は、鋳型援助自己組織化あるいは様々な電界駆動（field-driven）技術などの、自己組織化駆動技術に依る。このような技術は一般的に短時間で大規模構造を生産するが、長期間欠陥のない構造を形成する能力に欠ける。加えて、異なる直径および／または組成を持つ二以上の種類のコロイドからなる、複雑であるが通常のコロイド結晶を形成することは極めて難しい。
【０００５】
近年、研究者たちはコロイド粒子から形成される構造が、マルチプル光学トラップを持つポリマーゲル溶液に粒子を配すことで形成されうることを示した。一旦ゲルが固まると、粒子はその位置に固定される。この技法は三次元構造を生成することができるが、構造がゲルマトリックスに形成される必要がある。加えて、他の研究者たちが、比較的大きな二次元構造が、帯電コロイド粒子を、音響光学偏向システムにより生成される光学トラップを持つ逆帯電基板上に配置することで形成されうることを示した。これら構造はさらに、臨界点乾燥の助けを借りて溶液から除去することもできる。この技術は正確に位置したコロイド粒子に依るデバイスの形成に大きな可能性を持つ。しかし、この技術は一基板上に対する二次元コロイド構造の形成に限定されている。多くの場合、真の多層コロイド構造は、フォトニック結晶、コロイド電子、およびバイオ工学処理された材料といった用途に利用されると望ましい。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、ホログラフィック光トラップ（ＨＯＴ）を利用して、帯電安定コロイド粒子から基板上あるいは溶液中に二次元および三次元の構造を形成することを可能とする技術を含む。ＨＯＴの利用により、様々な物質からなる比較的大きな数の粒子がサンプルセルに異物を混入させることなく正確に位置できるようになる。加えて、このアセンブリ技術は、クーロンおよびファン・デル・ワールス相互作用のような、略全てのコロイド懸濁液に存在する変更相互作用ポテンシャルに依る。これにより、技術が多くのシステムに幅広く適用できるようになる。
【０００７】
さらに本発明は、臨界点乾燥の助けなしに、溶液から構造を除去することに関する力に耐えることのできるコロイド構造を構築するのに利用できる技術を含む。この技法は、臨界点乾燥を利用することなく溶液から除去できる幅広い種類の材料からなる大規模な二次元および三次元のコロイド構造の形成という新たなルートを開く。
【０００８】
最後に、全プロセスが何度か繰り返され、構造が多数のコロイドの種類から形成されることを可能とする、という意味で技術循環することができる。ひとたび第一アセンブリが行われると、当初の構造はそのままで残り、その後のアセンブリステップで利用することができるので、とても複雑な複数の材料が多数の材料の種類から生成されることを可能とする。
【０００９】
本発明においては、ホログラフィック光学ピンセット（ＨＯＴ）を利用して、フローセル内に帯電安定コロイド粒子が配置される。ひとたび粒子が望ましい位置になると、電界質溶液がセル内にポンプで汲み入れられ、これによりデバイ（Ｄｅｂｙｅ）長が減少し、ファン・デル・ワールス力による凝結が引き起こされる。本発明は、三次元構造の形成を基板上およびそこから離れた位置に可能とし、これは臨界点乾燥の助けなしに溶液から除去できる。
【００１０】
本発明の一実施形態においては、一の多次元コロイド構造をアセンブルする方法は、一のサンプルチャンバを複数の帯電安定コロイド粒子の一の安定懸濁液で満たすことと、前記複数の粒子をホログラフィック光学ピンセットでトラップすることと、一の電解質溶液および一のｐＨ調整溶液のうちの少なくとも一方を前記サンプルチャンバに流し込むことで、前記懸濁液を不安定化することと、
ホログラフィック光学トラップを利用して個々の複数の粒子を前記基板の一の表面上に配置することおよび個々の複数の粒子を隣接する複数の粒子と接触するよう配置することで一の多次元構造を形成することのうちの一方を行うことで、前記トラップされた複数の粒子を互いに接触させることと、を含む。
【００１１】
さらに、本発明の様々な実施形態においては、コロイドは単分散材料であり、セルあるいはベシクルなどの生物材料であり、半導体材料であり、フォトニックバンドギャップ結晶である。
【００１２】
またさらに、本発明の別の実施形態においては、前記コロイドは、互いに、および前記基板との間で、のうちの一方において、一の牽引的なファン・デル・ワールス相互作用を生成する能力を持つ一の材料である。
【００１３】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、前記懸濁液は、二以上のコロイド種からの複数のコロイド粒子を含む。
【００１４】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、多次元構造は、前記複数のコロイド粒子の一の材料および複数の次元特性に基づき、前記複数のコロイド粒子の一部分のみを凝集させることにより形成される。
【００１５】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、前記多次元コロイド構造は一のアレイであり、前記アレイは前記複数の粒子を一の二次元正方格子パターンに組み合わせることで形成される。
【００１６】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、複数のアレイから一の三次元結晶を形成する、および前記結晶を前記基板の上方に懸濁させる。
【００１７】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、前記基板に対して前記結晶を回転させて、前記結晶を前記基板に堆積させる前に一の望ましい配向を達成する。
【００１８】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、前記複数の粒子の一の初期層を、前記初期層の前記複数の粒子の全てが前記基板と接触するまで前記光学トラップの一の集合の一の焦点距離を減少させることで、前記基板上の前記格子パターンとして堆積する。
【００１９】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、追加的な個々の複数の粒子を前記格子パターン内に配置して、一の三次元コロイド構造として、複数の粒子の一の第二層を形成する。
【００２０】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、前記初期層内および前記第二層内の前記複数の粒子は、異なる寸法である。
【００２１】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、前記多次元構造を、臨界点乾燥なしに前記電解質溶液から除去する。
【００２２】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、前記サンプルチャンバを、前記多次元構造を除去することなしに、前記懸濁液の一の静電反発力を増加する一の溶液でフラッシュすることと、
複数の帯電安定コロイド粒子の別の安定懸濁液を前記サンプルチャンバに導入することと、をさらに含む。
【００２３】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、前記多次元構造を前記溶液の集合により前記サンプルセルからフラッシュする。
【００２４】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、一のマルチコロイド構造をアセンブルする装置は、複数の光学トラップを形成する一のホログラフィック光学ピンセットと、一の基板と、前記基板に堆積された一のサンプルチャンバと、前記サンプルチャンバ内への一の入力管と、前記サンプルチャンバからの一の出力管とを含む一のサンプルセルと、複数の帯電安定コロイド粒子の一の安定懸濁液と、前記入力管を介して前記サンプルチャンバに導入される一の電解質とを含み、前記複数の粒子は、前記ホログラフィック光学ピンセットによりトラップされることで前記多次元構造を形成する。
【００２５】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、装置は、一のシリンジポンプにより前記電解質をポンピングする一のシリンジをさらに含む。
【００２６】
またさらに、本発明のさらなる別の実施形態においては、一のマルチコロイド構造をアセンブルする装置は、複数の光学トラップを形成する一のホログラフィック光学ピンセットと、一の基板と、前記基板に堆積された一のサンプルチャンバと、前記サンプルチャンバ内への一の入力管と、前記サンプルチャンバからの一の出力管とを含む一のサンプルセルと、複数の帯電安定コロイド粒子の一の安定懸濁液と、前記サンプルチャンバに導入され、前記複数のコロイド粒子の一の帯電種に依り、酸性および基礎水準の一方に調整される、一のｐＨ調整溶液とを含み、前記複数の粒子は、前記ホログラフィック光学ピンセットによりトラップされることで一の多次元構造を形成する。
【００２７】
最後に、本発明のさらなる別の実施形態においては、一のマルチコロイド構造をアセンブルする装置は、複数の光学トラップを形成する一のホログラフィック光学ピンセットと、一の基板と、前記基板に堆積された一のサンプルチャンバと、前記サンプルチャンバ内への一の入力管と、前記サンプルチャンバからの一の出力管とを含む一のサンプルセルと、複数の帯電安定コロイド粒子の一の安定懸濁液と、前記入力管を介して前記サンプルチャンバに導入される一の電解質と、前記サンプルチャンバに導入され、前記複数のコロイド粒子の一の帯電種に依り、酸性および基礎水準の一方に調整される、一のｐＨ調整溶液とを含み、前記複数の粒子は、前記ホログラフィック光学ピンセットによりトラップされることで一の多次元構造を形成する。
【００２８】
後続の詳細な説明のよりよい理解を目的として、および技術に対する本貢献のよりよい理解を目的として、本発明の幾らかの特徴を上に概説した。もちろん、以下に記し、付随の請求項の主題を成す本発明の追加的特徴も存在する。
【００２９】
この点に関して、本発明の少なくとも一つの実施形態を説明する前に、本発明の用途が、以下の記載および図面に示した部材の構成および配置の詳細には限定されないことを理解されるべきである。本発明の方法および装置は、他の実施形態も可能とし、様々な方法で実施および実行することができる。さらに、ここに利用した言い回しおよび用語は、以下の要約も含めて、記載目的であり、限定としてみなされるべきものではないことも理解されるべきである。
【００３０】
この様なわけで、当業者であれば、この開示が基とする構想を、本発明の様々な目的を実行するための他の構造、方法、システムを設計する基として容易に利用することができることを理解するであろう。従い、請求項は、本発明の方法および装置の精神および範囲から逸脱しない限りにおいては、そのような均等的構成を含むとみなされることが肝要である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
以下の図面は発明を例示する、図面は以下の通りである。
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による一サンプルセルの斜視図である。
【００３３】
【図２ａ】本発明の一実施形態による、図１のサンプルセルでトラップされ分離された複数の粒子の明視野像である。
【００３４】
【図２ｂ】本発明の一実施形態による、二次元（２Ｄ）単純正方格子パターンに組み合わせられた、図２ａの粒子の明視野像である。
【００３５】
【図２ｃ】本発明の一実施形態による、３×３結晶が形成されるまで三つの３×１アレイとして形成される、図２ｂの粒子の明視野像である。
【００３６】
【図２ｄ】本発明の一実施形態による、カバースリップに平行な軸周りに基板上９０度回転される、図２ｃの結晶の明視野像である。
【００３７】
【図２ｅ】本発明の一実施形態による、３ｘ３結晶を生成すべく、基板に堆積される前に再度４５度回転された、図２ｄの結晶の明視野像である。
【００３８】
【図３】準備された低電解質条件における分離関数としての、球状の２．４０μｍシリカ粒子および平坦なガラス基板についての相互作用ポテンシャルのプロットである。
【００３９】
【図４】高電解質条件における分離関数としての、球状の２．４０μｍシリカ粒子および平坦なガラス基板の相互作用ポテンシャルのプロットである。
【００４０】
【図５】本発明の一実施形態による、ガラスカバースリップ基板に形成されるシリカ粒子の三次元・ニ層コロイド結晶の明視野像である。
【００４１】
【図６ａ】本発明の一実施形態による、二つの異なる寸法のシリカ球のポピュレーションから形成された完全コロイド結晶構造の明視野像である。
【００４２】
【図６ｂ】本発明の一実施形態による、水相除去後の図４ａにあるのと同じ構造の明視野像である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明は、ホログラフィック光学トラップ（ＨＯＴ）を利用して、帯電安定コロイド粒子から基板上あるいは溶液中に二次元および三次元の構造を形成することに関する。ＨＯＴは米国特許番号６，０５５，１０６（Ｇｒｉｅｒら）、および対応する米国特許出願番号１０／７３５，３９５（Ｇｒｕｂｅｒら）に記載されており、その内容全体をここに参照として組み込む。
【００４４】
本発明では、ホログラフィック光学トラップが、例えば５３２ｎｍの連続波レーザ（Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｍｉｌｌｅｎｎｉａ  Ｖなど）を倒立顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ  ＴＥ−２００など）で利用するＡｒｒｙｘ  Ｂｉｏｒｙｘ  ２００（登録商標）システムなどのデバイスを利用することで生成される。
【００４５】
図１は本発明で利用するアセンブリサンプルセル１００を図示する。例えば６０Ｘ高開口数孔（ｎ．ａ．＝１．４）の油浸対物レンズをＨＯＴシステム１０１で利用した。フローセル１００は、入力フロー管１０２および出力フロー管１０３（例えば内径（ＩＤ）＝０．４０"で、外径（ＯＤ）＝０．０７"のＴｙｇｏｎチュービング）を、５０ｍｍ×２２ｍｍのナンバー１カバースリップ１０４に対して、例えばエポキシゲル１０５（Ｄｅｖｃｏｎ  Ｆｉｖｅ  Ｍｉｎｕｔｅ  Ｅｐｏｘｙ  Ｇｅｌ）で取り付け、その後標準ガラススライド１０６をエポキシウェル１０６の上に配置することで作成した。電解質入力管１０２を、例えば３ｍＬシリンジ１０７、および電解質溶液１０９のサンプルセル１００への流速を制御するのに利用された、シリンジポンプ１０８（ＷＰＩ  ＳＰ２００１）に接続した。
【００４６】
具体的にアセンブリプロセスでは、先ず、サンプルセル１００のサンプルチャンバ１１１を、帯電安定コロイド懸濁液（つまり連続相に分散すると、表面電荷を得る、数十のミクロンから一ナノメートルの特徴寸法を持つ粒子あるいはセルからなる固相である）で満たした。コロイドの例は、それに限られないが、セル、ベシクル、量子ドット、半導体ドットなどである。
【００４７】
この実験においては、直径２．３４μｍの市販の単分散シリカコロイド（Ｂａｎｇｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  ＃ＳＳ０４Ｎ／５５６９）を一例として利用した。サンプルチャンバ１１１が満たされると、サンプルセル１００をエポキシ１０５で封止した。コロイドは、表面改質をなんら行わず、濾過水に分散させたものを利用して（０．０５Ｍ  ＮａＯＨの、ｐＨが７．０に調整された、Ｂａｒｎｓｔｅａｄ  Ｎａｎｏｐｕｒｅなど）、例えば約１×１０６粒子／ｍＬの濃度を生成した。
【００４８】
サンプルセル１００を顕微鏡ステージ（不図示）に配置し、粒子１１０をカバースリップ表面１０４に堆積させた。この濃度により、約２％の二次元パッキング率（two-dimensional packing fraction）が生成され、これにより構造を形成することを目的として単体粒子１１０の利用可能性およびオープンスペース間の優れたバランスが達成された。
【００４９】
複数の粒子１１０を、その後ホログラフィック光学ピンセット１０１でトラップして、互いから、およびフローセル１００のチャンバ１１１の壁から離れた適所で保持した。典型的に１０〜５０の粒子１１０が、一アセンブリステップにおいて１８〜９０ｍＷの平均単一トラップ力（average single trap power）で獲得された。しかし、当業者であれば、トラップに必要な力が粒子径および粒子の種類によって変わることを理解するだろう。この例で利用されたトラップ力は、トラップされた粒子１１０が、電解質溶液１０９のセル１００への導入に付随する粘性牽引力（viscous drag forces）に耐えうることを保証した。
【００５０】
一旦粒子１１０がトラップされると、例えば０．２Ｍ  ＮａＣｌ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ  ＃Ｓ‐７６５５）溶液１０９を、サンプルセル１００に流し込んだ。電解質１０９を入力シリンジ１０７に導入するだけで、分散により望ましい効果を生むことができるが、電解質溶液１０９をサンプルセル１００に注ぐことで、全体セル体積が源１０７と同じ電解質１０９の濃度からなることを保証した。例えば、トラップされた粒子１１０の数により、約０．１ｍＬ／ｍｉｎの流速を利用した。電解質１０９の流れは、セル１００内へのサンプルセル体積の１〜２倍であった。しかし、当業者であればどの電解質およびどの流速および濃度のものが、選択された特定のコロイドとともに利用されるべきか理解するだろう。
【００５１】
幾らかの非トラップ粒子１１０がサンプルチャンバ１１１の視野に残り、凝集プロセスを観察する。一旦これら指示粒子１１０の熱運動が止まると、個々の粒子１１０をカバースリップ１０４表面上にあるいは隣接粒子１１０に接触させるように配置することで、トラップされた複数の粒子１１０をＨＯＴを利用してカバースリップ１０４に対して、あるいはお互いに対して、接触させる。故に、これら粒子１１０は多次元構造にアセンブルすることができる。
【００５２】
加えて、トラップされた粒子１１０の全群１１０の焦点距離を、ＨＯＴ１０１を利用して調整することにより、粒子全群１１０がカバースリップ（基板）１０４に接触されてよい。お互いにあるいは基板１０４に接触される約４秒以内に全ての粒子１１０が凝集した。
【００５３】
図２は、ＨＯＴ１０１を利用した３×３コロイド結晶のフリースペースにおけるアセンブリプロセスを示す画像の集合である。この図および後続の図において同じ参照番号は上記と同じ要素のことを示す。
【００５４】
図２ａに示す例において、九個の粒子１１０がトラップされ、ガラスカバーストリップ１０４から、およびお互いに分離、あるいは離れた。粒子１１０は隣接する表面から、例えば約２μｍ離された。０．２Ｍ  ＮａＣｌ電解質溶液１０９を、例えば、その後サンプルセル１００に導入し、粒子１１０が二次元（２Ｄ）単純正方格子パターン（図２ｂ参照）に組み合わせられ、３×３結晶１１２が約１０μｍ基板上に形成、懸濁するまで、三つの３×１アレイ１１２が形成された（図２ｃ参照）。これにより、三次元構造をアセンブルすることができる。
【００５５】
図２ｄにおいて、例えば、結晶１１２が四つの光学トラップを利用してカバースリップ１０４に平行な軸周りに基板上９０度回転され、基板１０４上に堆積される前に４５度再度回転された。しかし、当業者であれば、結晶１１２は三次元操作を示す任意の角度で回転できることが分かるだろう。
【００５６】
この場合、一粒子１１０のみが、カバースリップ１０４表面に接触した。単一あるいは多数のトラップで約１Ｗの正味出力でピンセット操作すると、ひとたびガラス基板１０４に配置されると、基板１１２にはなんら明らかな効果が与えられなかった。
【００５７】
図２ｅでは、三つの光学トラップの焦点距離を変えることで、構造１１２がもう一度回転され、基板１０４上に堆積され、例えばダイアモンドのような配向を持つ３×３結晶１１３が形成された。最終画像には光学トラップはなんら存在しなかった。スケールバーは５μｍである。
【００５８】
故に、アセンブルされた三次元構造が得られた。
【００５９】
この上述の行動は、有名なコロイド安定性のＤＬＶＯ理論により理解することができる。当初の準備された条件下では、シリカ粒子１１０およびガラス表面１０４が、末端シラノール基分離（disassociation of terminal silanol groups）に主に起因する負の表面電荷を生じる。低電解質１０９濃度および（粒子１１０の）シリカ等電点より高いｐＨにおいては、この表面電荷がガラス表面１０４のフロキュレーションおよび凝集を妨げる。これにより、ＨＯＴを利用して、後続のアセンブリでの利用を目的として粒子をトラップすることができるようになる。当業者であれば、この行動が、シリカ以外からできている粒子が利用された場合に見られるであろうことが分かるだろう。
【００６０】
図３は、分離関数としての、球状の２．４０μｍシリカ粒子（一例）および平坦なガラス基板の相互作用ポテンシャルのプロットである。ｙ軸はエネルギー（３００Ｋで単位ｋｂＴ）で、ｘ軸は球／基板分離距離Ｄをメータで示す。プロットは、これら二つの表面の間の相互作用が１ｎｍを超える距離では強く反発する、つまり懸濁液を安定化することを示している。これら条件下では、Ｄｅｂｙｅ長は約２μｍである。しかし、ひとたび電解質１０９がサンプルセル１０１に導入されると、表面電荷がイオンにより溶液１９０内でスクリーニングされるにつれ、Ｄｅｂｙｅ長は減少し、これによりこの例のシリカ１１０のような粒子を、小さい分離内で同様の荷電表面に近付かせ、この点において牽引的なファン・デル・ワールス相互作用が相互作用ポテンシャルに勝ることができる。
【００６１】
図４は、ひとたび電解質１０９がサンプルセル１０１に流れ込んだ際の、球／基板分離関数としての相互作用ポテンシャルのプロットである。この図は、図３に存在する反発バリアが完全に減少してしまって、純粋に牽引的な相互作用を生じることを示している。故に、高い電解質濃度においては、粒子１１０は不可逆的に凝集する。この例においては、１：１電解質１０９の０．２Ｍ濃度で、Ｄｅｂｙｅ長は０．６８ｎｍと算出される。
【００６２】
このシナリオでは、電解質濃度は、相互作用ポテンシャルに対する反発的静電気的貢献を完全に抑制するのに充分なほど大きい。本発明の追加的実施形態は、追加的な牽引的なポテンシャル無しに凝集速度が最小になるよう、電解質濃度を正確に生成する。この濃度は懸濁液および基板の特性に甚だ依存する。しかし、このように調整されると、懸濁液は、光学トラップの追加的ポテンシャルが粒子に作用するまで、準安定状態に留まらされることもある。このように、粒子は、トラップが充分な力を適用して粒子を適所にロックするまで、溶液に大きく非結合状態で残りうる。
【００６３】
本発明の代替実施形態は、サンプルセル１００内のコロイド懸濁液および基板１０４の表面電荷を制御するのに電解質濃度の代わりにｐＨ変更を利用することに関する。表面イオン化のレベルは、そして故に表面電荷は、連続相のｐＨに依存する。ｐＨを（荷電種に依って酸性あるいは基礎水準に）調整することで、Ｄｅｂｙｅ長が大きい低電解質濃度においても反発電解質バリアが凝集を妨げるほど大きくないように、反発相互作用の大きさを減少させることができる。故に、この、前述の実施形態に記載した特定の構成にアセンブルされるＨＯＴ操作されたコロイド懸濁液を含むサンプルセル１００に不安定化剤を導入する同じ技術を、サンプルｐＨを調整することで達成することができる。
【００６４】
これら方法（電解質濃度および／またはｐＨ調整）各々は、さらに、二以上の異なるコロイド種からなる懸濁液を含むことができる。いずれのシナリオ（電解質濃度および／またはｐＨ調整）における凝集率もコロイドの材料および次元特性に強く依存しているので、サンプルセル１００の条件は、ポピュレーションの一部だけが凝集するよう、作成されてよい。故に、同じサンプルセルに段階的にに多数のコロイドの種類からなる構造を形成する可能性もある。
【００６５】
最後に、これら方法の各々は懸濁液あるいはチャンバの化学形態を永久的に変更するものではなく、アセンブリプロセスは多数回繰り返すことができる。固定プロセスが電解質および／またはｐＨ調整された溶液の導入により達成された後、サンプルセル１００は、懸濁液の静電反発力を増加する溶液でフラッシュすることができる。牽引的なファン・デル・ワールスポテンシャルはｐＨあるいは電解質濃度により僅かしか影響されないので、関連する表面間に存在するナノメートルおよびサブナノメートル分離において、相互作用ポテンシャルの優位な項として残る。故に、初期懸濁液（fresh suspension）が非結合のままであっても、最初に結合された粒子はその状態に留まる。それ以上あるいは異なるコロイドをサンプルセルに加え、その後、望ましい最終構造がアセンブルされるまで固定プロセスを繰り返すことができる。この能力により、多数のコロイド種からなる超大の複合構造を形成することが可能となる。これら構造は、図２ｅに示すように、溶液中への懸濁あるいは基板への付着の用途で利用することができる（図２ｅでは３×３結晶構造１１２、１１３が基板１０４の表面に得られている、あるいは堆積されている）。
【００６６】
本発明を利用してなされる幾らかの例の多次元コロイド構造を以下に示す。図５は、ガラスカバースリップ基板１０４上に形成される、例えば２．３４μｍのシリカ粒子１１０からなる、より大きな（ｎ＝４０）三次元（３Ｄ）、二層コロイド結晶１１４の明視野像を示す（しかし、トラップできる任意の種類の帯電安定コロイドを利用することができる）。この場合、光学的にトラップされる粒子１１０の二層１１５、１１６は、各々異なる焦点距離で六角形状に配置され、その後例えば０．２Ｍ  ＮａＣｌ電解質溶液が導入される。
【００６７】
粒子１１０の初期（第一）層１１５は、第一層１１５の全ての粒子１１０がカバースリップ１０４に接触するまで、トラップの集合の焦点距離を減少させることで、基板１０４上に堆積された。この初期層１１５の堆積後、個々の粒子１１０を粒子１１０毎に格子内に配置して、第二層１１６を形成した。各粒子１１０が堆積されたら、光学トラップを構造１１４から除去した。最終画像には光学トラップはなんら存在しない。矢印１１７は欠陥を示す。スケールバーは５μｍである。
【００６８】
再度、本発明に記載した固定プロセスを利用して、一旦粒子１１０が基板１０４あるいはお互いに付着したら、たとえトラップ力が例えば１Ｗに近似しようと、後続する追加的な光学ピンセット操作は、粒子１１０の位置に明らかな効果を及ぼさなかった。このことは、適用された光学トラップのエネルギー（例えば５０ｋｂＴまで）が、ナノメートルおよびサブナノメートルの長さスケールにおいて典型的なファン・デル・ワールスエネルギー（例えば数百から数千ｋｂＴまで）よりずっと少ない理由から、予想されることである。
【００６９】
加えてこの技術は、二つの異なる寸法のコロイドからなる三次元コロイド構造を構築するのに利用できる。
【００７０】
図６ａは、一例として用いた、異なる寸法のシリカ球の二つのポピュレーションから形成される完全な構造１１８の明視野像である。図４ａは、前の実験同様にサンプルセル１００で一緒に分散され、トラップされ、その後に組織化される、４．５０および２．３４μｍのシリカ球からなる結晶１１８を示す（例えばＢａｎｇｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  ＃ＳＳ００５９／４９０８など）。
【００７１】
このプロセスにおいて、例えば０．２Ｍ  ＮａＣｌ溶液がサンプルセル１００に流し込まれ、例えば４．５０μｍシリカの単一層１１９がその後、ガラスカバースリップ１０４上の二次元六角形最密格子にアセンブルされる。
【００７２】
そして、五つの２．３４μｍシリカ粒子１２０を、その後、コロイドの第一層１１９上に堆積した。具体的には、例えば４．５０μｍシリカの第一層１１９がＨＣＰパターンに堆積され、例えば２．３４μｍシリカ１２０が、より大きな粒子１１０のうちの三つの接合点に堆積される。加えて、一つのより小さな粒子１２０が二つの粒子１１０の接合点に配置される。
【００７３】
二つの異なる寸法のコロイドの構造を構築する能力は、上述のように、複合フォトニック結晶の形成に有益であるべきである。加えて、この技術は、一つのコロイドの種類が一連の洗浄によって溶解することができる多数のコロイドの種類からなる構造を構築する能力を生じるべきである。この方法は、例えば導波路などとして利用されるフォトニック結晶に、正確に位置した欠陥を形成する可能性を開くことができる。このようなフォトニックデバイスは、電話通信および電子産業に利用できる新たなおよび固有の光学特性を呈すと予測される。
【００７４】
アセンブルされた構造は、懸濁溶液の集合によりサンプルセルから除去することができる。あるいは、アセンブルされた構造は、ＨＯＴおよび固定プロセスを利用して、ガラス基板に接触させ、基板の特定の位置へ取り付けてよい。アセンブルされた構造／基板システムは、後続の用途用に、サンプルセルから除去されてよい。最後に、これら構造の多くは、臨界点乾燥の助けなしに、溶液から除去することができる。
【００７５】
これを証明すべく、チャンバ１１１の片側（図１参照）を、例えばエポキシ以外のホットグルー（hot glue）で封止した。一旦、構造１１２（図２ｃ）が形成されると、はんだごてを利用してホットグルーを液化して、チャンバ１１１の片側を大気に曝した。水相はサンプルセル１００を蒸発させる。このプロセスは、構造１１２のサンプルセル１００の開放端部に対する近接性、およびサンプルチャンバ１１１の厚みに依って数時間かかる。
【００７６】
図６ｂは、水相が除去された後の（蒸発できる状態の）、図６ａと同じ構造１１８の明視野像である。矢印は例えば、水相の除去中に位置がシフトした２．３４μｍの粒子１２０を示す。スケールバーは５μｍである。
【００７７】
上述のことから、単一接続により表面に結合された三次元構造、あるいは大きな格子定数を持つ結晶は典型的に乾燥時に歪曲する。この観察は、粒子／粒子および粒子／基板の接着点の数が少ないこと、および構造１１８の表面積が大きいことを考えると、理解できよう。
【００７８】
本発明の用途の一例は、フォトニックバンドギャップ結晶の構成にある。これらデバイスは、周期的に変化する誘電率を持つ材料からなる。ある電子エネルギーが伝播を禁止されている半導体バンドギャップ同様に、フォトニックバンドギャップ構造は、デバイスからの伝播を禁止される光子エネルギーを生成する。コロイド粒子の規則的配列構造は、そのようなフォトニックバンドギャップを生成することができる。したがって、代わりの粒子（異なる屈折率を持つ）、あるいは空格子点（vacancies）からなる正確に導入された欠陥により、特定のエネルギーを持つフォトンが、実質的に任意のパターンのデバイスを通ることができるようになる。
【００７９】
本発明の別の用途は、例えば、ゲノムチップ用のナノプリンティングである。
【００８０】
故に、本発明は、基板１０４上に、あるいはそこから離れた位置に形成されるマルチコロイドの種類からなる二次元および三次元構造を可能とする技術を含む。技術は、幅広いコロイドの種類および組成に幅広く適用できる略全てのコロイド分散体に作用する力に依る。加えて、構造は、臨界点乾燥の助けなしに、溶液から除去することができる。この技法はフォトニック結晶、コロイド電子、およびバイオ工学処理された材料を形成するのに有益である。
【００８１】
本発明の上述の実施形態は、本発明の原則を明瞭に理解させることを目的として記載されている。本発明の上述の実施形態に、本発明の精神および原理から逸脱しないで変更例および変形例を加えることができる。そのような変形例および変更例は全て、ここにおいて本発明の範囲内に含まれ、以下の請求項で保護されることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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