Forskeren forfølger nye applikationer for varme elektroner

Tre år efter hans opdagelse af porøse guldnanopartikler - guldnanopartikler, der tilbyder et større overfladeareal på grund af deres porøse natur - fortsætter en forsker fra University of Houston med at udforske videnskaben og potentielle anvendelser.

Wei-Chuan Shih, lektor i el- og computerteknik, vil bruge midler fra National Science Foundation til at studere elektronoscillation i nanopartiklerne og udvikle ideer til at udnytte det.

"Vi kan generere varme elektroner ved at skinne lys på disse nanopartikler, så vi prøver at drage fordel af det, forsøger at finde en måde at få dem til at fungere, "Sagde Shih.

Hans laboratorium, NanoBioPhotonics Group på UH, har undersøgt, hvordan porøse guldnanopartikler reagerer på lys i flere år; sidste forår rapporterede han, at den lysomdannede varme kan bruges til at dræbe bakterier. Sidste måned beskrev de i Nano bogstaver første gang overflade (plasmon)-forstærket nær-infrarød absorption var blevet demonstreret til kemisk påvisning og identifikation.

Lys ved bestemte bølgelængder "ophidser" elektronerne, eller ansporer dem til bevægelse, han sagde. At drage fordel af den energi, der genereres af de bevægende elektroner, involverer måling af, hvad der sker over små brøkdele af tid:Når nanopartiklerne er ramt af lys, elektronerne sættes i bevægelse inden for få femtosekunder, eller en kvadrilliondel af et sekund. Elektronoscillationen begynder at konvertere til varme efter et par picosekunder, eller en trilliontedel af et sekund.

"Det er de varme elektroner inden for de første par femtosekunder, vi gerne vil høste, " sagde Shih.

Under NSF-bevillingen, Shih sagde, at forskere i hans laboratorium vil undersøge, om de varme elektroner kan bruges til at forbedre en katalysator, der driver kemiske reaktioner og booster signalering. Han vil arbejde for at forbedre denne signalering og bestemme måder at bruge den på.

"Der er noget, der tyder på, at plasmonisk resonans kan fremme katalytiske reaktioner, " sagde han om samspillet mellem lys og nanopartikler. "Lyset ophidser disse elektroner til at oscillere i nanopartiklerne." Plasmonisk resonans beskriver den måde, elektroner i et stykke metallisk nanomateriale reagerer på lys, og Shih sagde, at det kun sker ved bestemte bølgelængder.

Forskning for at fremskynde kemiske reaktioner kan have enorme gevinster i olie- eller petrokemisk industri, da små forbedringer kan give store konsekvenser. Men Shih er fokuseret på biosensing, bruge de kemiske reaktioner til at producere et stærkere signal fra små mål, hurtigere.

"Vi er interesserede i ultralydsfølsom påvisning af sygdom, herunder cancerbiomarkører såsom nukleinsyrer og proteiner, " han sagde.

At lære at forstærke signalet bedre kan have en række anvendelser. Shih bemærkede, at enzym-forbundet immunosorbent assay, eller ELISA - en analyse, der almindeligvis bruges til at måle proteiner i forskningslaboratorier - afhænger af en katalysereaktion for at øge signalet. At finde en måde at forbedre effektiviteten af ​​metoden ville have brede konsekvenser, blot et eksempel på, hvordan arbejdet kunne være nyttigt, han sagde.