Energiafledning fra vibrerende guldnanopartikler stærkt påvirket af det omgivende miljø

Metal nanopartikler kan spille en nøglerolle i næste generation af lysdetektorer, optiske kredsløb, og kræftbehandlinger. For at disse fremtidige teknologier kan realiseres, det er vigtigt at forstå, hvad der sker, når nanopartikler får vibrationer, og den deraf følgende spredning af lys, der kan opstå på grund af svingninger, eller overfladeplasmoner, i deres frie elektronsky. Imidlertid, der vides lidt om præcis, hvordan disse vibrationer påvirkes af nanopartiklernes umiddelbare omgivelser - især, hvordan miljøet påvirker spredningen af ​​energi fra en nanopartikel, når den vibrerer.

Sudhiranjan Tripathy ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger, samarbejder med Arnaud Arbouet og kolleger fra National Centre of Scientific Research (CNRS) i Frankrig, har nu analyseret effekten af ​​forskellige miljøer på individuelle guldnanopartikler, deres akustiske vibrationer og tilhørende energispredning.

Forskerne undersøgte individuelle nanoreringer lavet af guld ved hjælp af transient absorptionsspektroskopi, hvilket involverer excitation af prøven med en puls af laserlys før måling af absorbansen af ​​lys ved forskellige bølgelængder. De målte både vibrationsperioden og dæmpningstiden - den hastighed, hvormed nanoringen mister sin energi til omgivelserne.

"Når et metallisk system reduceres til nanometriske dimensioner, dens vibrationstilstande kan blive meget forskellige i forhold til dens bulkform, ” forklarer Tripathy. “F.eks. dæmpningen af ​​de akustiske vibrationer er stærkt påvirket af miljøets elastiske egenskaber og grænsefladen mellem nanopartiklerne og dens omgivelser.”

Tidligere spektroskopiundersøgelser har eksperimenteret med store grupper af nanopartikler, men den kollektive tilgang har sine begrænsninger, fordi nanopartikler af forskellig størrelse kan have forskellige vibrationsperioder. Forskerne overvandt problemet ved at arbejde med individuelle nanoreringer, men løsningen havde sine egne vanskeligheder.

Den første udfordring var nanofremstilling af perfekt kontrollerede og karakteriserede nanoobjekter. For det andet der var spørgsmålet om at detektere og overvåge de akustiske vibrationer af et enkelt metal nanoobjekt. Det betød, at forskerne skulle måle relative ændringer i størrelsesordenen én ud af 10 mio.

Forskerne undersøgte individuelle nanoreringer, der var omgivet af enten luft eller glycerol, og fokuseret på, hvordan de forskellige miljøer påvirkede vibrationernes dæmpningstid. Dette gav værdifuld indsigt i, hvordan energi spredes fra nanoreringerne til deres miljø. Mest sigende, dæmpningstiderne var væsentligt kortere i den højviskose glycerol.

"Vores arbejde åbner spændende perspektiver, herunder brugen af ​​metalnanopartikler som massesensorer, eller som prober i nanostørrelse af de elastiske egenskaber i deres lokale miljøer, ” siger Tripathy.