Tinh thể có độ tinh khiết cao phân tách ánh sáng một cách chính xác đến kỳ lạ. Nhưng, các kỹ thuật hiện nay để sản xuất loại tinh thể này như khắc bằng chùm tia điện tử chính xác thường vô cùng khó khăn và tốn kém. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Princeton và Columbia, Hoa Kỳ, đã đề xuất một phương pháp mới cho phép điều chỉnh và phát triển vật liệu tinh thế quang tử một cách tương đối dễ dàng.

Trong nghiên cứu, tinh thể quang tử có thể được tạo ra từ một hỗn hợp, trong đó các hạt của vật liệu này được phân tán xuyên suốt vật liệu khác. Hỗn hợp này là huyền phù keo, gồm những thứ giống như sữa hay sương mù. Trong các điều kiện nhất định, các hạt phân tán có thể kết hợp với nhau tạo thành  tinh thể.

Việc chế tạo các chất rắn từ huyền phù keo không phải là ý tưởng mới. Trên thực tế, con người đã làm được điều này từ khi phát minh ra pho mát và các thùng làm bơ. Nhưng, có sự khác biệt lớn giữa tạo ra một bánh pho mát dày với một tinh thể đủ tinh khiết để phân tách ánh sáng cho mạch quang.

Một trong những thách thức chủ yếu để cho ra đời các tinh thể quang tử này là tìm cách để tạo ra các hình dạng đồng nhất từ hỗn hợp keo nhất định. Theo định nghĩa, cấu trúc bên trong tinh thể được sắp xếp theo một mô hình xác định. Các mô hình quyết định cách một tinh thể sẽ ảnh hưởng đến ánh sáng. Đáng tiếc, hỗn hợp keo thông dụng lại tạo ra các tinh thể có các cấu trúc bên trong khác nhau.

Trong báo cáo nghiên cứu đăng trực tuyến trên Tạp chí Nature Communications ra ngày 21/7/2014, các nhà khoa học chứng minh phương pháp sử dụng huyền phù keo để chế tạo các tinh thể có cấu trúc đồng nhất là cần cho các công nghệ cao. Về cơ bản, các nhà khoa học đã chỉ rõ việc bổ sung các chuỗi phân tử có kích thước chính xác gọi là polyme vào hỗn hợp keo cho phép tác động đến trật tự trên các tinh thể khi nó hình thành.

Nathan Mahynski, sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật hóa sinh tại Đại học Princeton và là tác giả chính của nghiên cứu nói: "Các polyme kiểm soát sự hình thành của cấu trúc. Nếu bạn hiểu cách polyme tương tác với các huyền phù trong hỗn hợp, bạn có thể tận dụng để tạo ra tinh thể như mong muốn”.

Các nhà nghiên cứu đã lập một mô hình máy tính mô phỏng sự hình thành của các tinh thể dựa vào các nguyên tắc nhiệt động học. Nhóm nghiên cứu đã phân tích trạng thái cân bằng của các hình dạng tinh thể khác nhau để tìm hiểu xem chúng bị ảnh hưởng ra sao do sự hiện diện của các polyme.

Kết quả cho thấy khi các tinh thể được hình thành, một lượng nhỏ polyme bị mắc kẹt giữa keo khi chúng kết hợp với nhau, trông như vữa trong bức tường đá, mặc dù các nhà nghiên cứu cho rằng polyme không có tính chất kết dính. Các không gian chứa đầy polyme gọi là khe hở, đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định trạng thái năng lượng của tinh thể.

Polyme và tinh thể họat động như ổ khóa và chìa, chúng tương thích với nhau trong cấu trúc tinh thể với trạng thái năng lượng thấp nhất. Do đó, các nhà khoa học có thể sử dụng kiến thức về vật lý polyme để biến đổi cấu trúc tinh thể.

Vì các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích bằng cách lập mô hình máy tính, nên họ cảnh báo việc thử nghiệm các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sẽ bộc lộ một số thách thức nan giải. Lo ngại đầu tiên liên quan đến tính đồng nhất của chất keo trong huyền phù; các mô hình thường cho thấy tất cả các chất keo đều có hình dạng và kích thước như nhau, nhưng điều này hiếm khi xảy ra trong các hệ thống tự nhiên.