Fysikere demonstrerer kvanteplasmoner i atomare nanopartikler

Med et halvt århundrede gammelt spørgsmål, ingeniører hos Stanford har endeligt fastslået, hvordan kollektive elektronsvingninger, kaldet plasmoner, opfører sig i individuelle metalpartikler så små som blot et par nanometer i diameter. Denne viden kan åbne nye veje inden for nanoteknologi lige fra solkatalyse til biomedicinsk behandling.

Det fysiske fænomen med plasmonresonanser i små metalpartikler er blevet brugt i århundreder. De er synlige i de livlige nuancer af verdens store farvede glasvinduer. For nylig, plasmonresonanser er blevet brugt af ingeniører til at udvikle nye, lysaktiverede kræftbehandlinger og for at øge lysabsorptionen i solcelleanlæg og fotokatalyse.

"De farvede glasvinduer i Notre Dame Cathedral og Stanford Chapel får deres farve fra metalnanopartikler indlejret i glasset. Når vinduerne er oplyst, nanopartiklerne spreder specifikke farver afhængigt af partiklens størrelse og geometri," sagde Jennifer Dionne, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford og seniorforfatter til et nyt papir om plasmonresonanser, der skal offentliggøres i tidsskriftet Natur . I undersøgelsen, teamet af ingeniører rapporterer den direkte observation af plasmonresonanser af individuelle metalpartikler, der måler ned til en nanometer i diameter - kun et par atomer på tværs.

"For partikler mindre end omkring ti nanometer i diameter, plasmonresonanser er dårligt forstået, sagde Jonathan Scholl, en ph.d.-kandidat i Dionnes laboratorium og førsteforfatter af papiret. "Denne klasse af metal-nanopartikler i kvantestørrelse er stort set blevet underudnyttet. At udforske deres størrelsesafhængige natur kunne åbne op for nogle interessante applikationer på nanoskala."

Langvarig debat

Videnskaben om små metalpartikler har forvirret fysikere og ingeniører i årtier. Under en vis tærskel, som metalliske partikler nær kvanteskalaen - omkring 10 nanometer i diameter - bryder klassisk fysik sammen. Partiklerne begynder at vise unikke fysiske og kemiske egenskaber, som bulk modstykker af de samme materialer ikke gør. En nanopartikel af sølv, der måler nogle få atomer på tværs, for eksempel, vil reagere på fotoner og elektroner på måder, der er meget anderledes end en større partikel eller sølvplade.

Ved klart at illustrere detaljerne i denne klassisk-til-kvante overgang, Scholl og Dionne har skubbet plasmonikområdet ind i et nyt område, der kan have varige konsekvenser for katalytiske processer såsom kunstig fotosyntese, kræftforskning og behandling, og kvanteberegning.

"Partikler i denne skala er mere følsomme og mere reaktive end bulkmaterialer, " sagde Dionne. "Men vi har ikke været i stand til at udnytte deres optiske og elektroniske egenskaber fuldt ud uden et komplet billede af videnskaben. Dette papir danner grundlaget for nye veje inden for nanoteknologi på vej ind i 100-til-10, 000 atom regime."

Ædelmetaller

I de seneste år, ingeniører har været særligt opmærksomme på nanopartikler af ædle metaller:sølv, guld, palladium, platin og så videre. Disse metaller er velkendte for at understøtte lokaliserede overfladeplasmonresonanser, de kollektive oscillationer af elektroner ved metaloverfladen som reaktion på lys eller et elektrisk felt.

Andre vigtige fysiske egenskaber kan drives yderligere, når plasmoner er begrænset i ekstremt små rum, ligesom nanopartiklerne Dionne og Scholl undersøgte. Fænomenet er kendt som kvanteindeslutning.

Afhængigt af formen og størrelsen af ​​partiklen, kvanteindeslutning kan dominere en partikels elektroniske og optiske respons. Denne forskning gør det muligt for forskere, for første gang, at direkte korrelere en plasmonisk partikels geometri i kvantestørrelse – dens form og størrelse – med dens plasmonresonanser.

Står til gavn

Nanoteknologi vil drage fordel af denne nye forståelse. "Vi opdager måske nye elektroniske eller fotoniske anordninger baseret på excitation og påvisning af plasmoner i partikler af kvantestørrelse. Alternativt, der kunne være muligheder i katalyse, kvanteoptik, og bio-imaging og terapeutika, " sagde Dionne.

Lægevidenskab, for eksempel, har udtænkt en måde at bruge nanopartikler ophidset af lys til at brænde kræftceller væk, en proces kendt som fototermisk ablation. Metal nanopartikler er fastgjort med molekylære vedhæng kaldet ligander, der udelukkende binder sig til kemiske receptorer på kræftceller. Når det bestråles med infrarødt lys, metal nanopartiklerne opvarmes, brænde kræftcellerne væk, mens det omgivende sunde væv efterlades upåvirket. Egenskaberne af mindre nanopartikler kan forbedre nøjagtigheden og effektiviteten af ​​sådanne teknologier, især da de lettere kan integreres i celler.

Der er store løfter for så små nanopartikler i katalyse, såvel. De større forhold mellem overfladeareal og volumen, der tilbydes af nanopartikler i atomskala, kunne forbedre vandopdeling og kunstig fotosyntese, giver rene og vedvarende energikilder fra kunstige brændstoffer. At drage fordel af kvanteplasmoner i disse metalliske nanopartikler kan forbedre katalytiske hastigheder og effektivitet betydeligt.

Medvirken

Forskernes evne til at observere plasmoner i partikler af så lille størrelse blev fremmet af den kraftfulde, multi-million dollar miljøskanning transmission elektronmikroskop (E-STEM) installeret for nylig på Stanfords Center for Nanoscale Science and Engineering, et af blot en håndfuld sådanne mikroskoper i verden.

E-STEM-billeddannelse blev brugt i forbindelse med elektronenergitabsspektroskopi (EELS) - en forskningsteknik, der måler ændringen af ​​en elektrons energi, når den passerer gennem et materiale - for at bestemme formen og adfærden af ​​individuelle nanopartikler. Kombineret, STEM og EELS gjorde det muligt for holdet at adressere mange af uklarhederne i tidligere undersøgelser.

"Med det nye mikroskop, vi kan opløse individuelle atomer i nanopartiklerne, " sagde Dionne, "og vi kan direkte observere disse partiklers kvanteplasmonresonanser."

Ai Leen Koh, en forsker ved Stanford Nanocharacterization Laboratory, og medforfatter til avisen, bemærkede:"Selvom plasmoner kan sonderes ved hjælp af både lys og elektroner, elektronexcitation er fordelagtig, fordi den giver os mulighed for at afbilde nanopartiklerne ned til atomniveau og studere dens plasmonresonanser på samme tid."

Scholl tilføjede, "En skønne dag, vi kan bruge teknikken til at se reaktioner i gang for bedre at forstå og optimere dem."

Elegant og alsidig

Forskerne afsluttede med at forklare fysikken bag deres opdagelse gennem en elegant og alsidig analytisk model baseret på velkendte kvantemekaniske principper.

"Teknisk set, vi har lavet en forholdsvis enkel, beregningsmæssig let model, der beskriver plasmoniske systemer, hvor klassiske teorier har slået fejl, sagde Scholl.

Deres elegante og alsidige model åbner op for adskillige muligheder for videnskabelig vinding.

"Dette papir repræsenterer grundlæggende forskning. Vi har afklaret, hvad der var en tvetydig videnskabelig forståelse og, for første gang, korrelerede direkte en partikels geometri med dens plasmoniske resonans for partikler i kvantestørrelse, " opsummerede Dionne. "Og dette kunne have nogle meget interessante, og meget lovende, implikationer og anvendelser."