Team forvandler nanorods til multistate switche med en elektronstråle

Rice University-forskere har opdaget, hvordan man subtilt kan ændre den indre struktur af halvhule nanorods på en måde, der ændrer, hvordan de interagerer med lys, og fordi ændringerne er reversible, metoden kunne danne grundlag for en nanoskala switch med et enormt potentiale.

"Det er ikke 0-1, det er 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10, " sagde rismaterialeforsker Emilie Ringe, ledende videnskabsmand på projektet, som er beskrevet i American Chemical Society journal Nano bogstaver . "Du kan skelne mellem flere plasmoniske tilstande i en enkelt partikel. Det giver dig en slags analog version af kvantetilstande, men på en større, mere tilgængelig skala."

Ringe og kolleger brugte en elektronstråle til at flytte sølv fra et sted til et andet inde i guld-og-sølv-nanopartikler, noget som en nanoskala Etch A Sketch. Resultatet er en rekonfigurerbar optisk switch, der kan danne grundlaget for en ny type computerhukommelse med flere tilstande, sensor eller katalysator.

Med en længde på omkring 200 nanometer, 500 af metalstængerne, der blev anbragt ende-til-ende, ville strække sig over bredden af ​​et menneskehår. Imidlertid, de er store i sammenligning med moderne integrerede kredsløb. Deres multistate -muligheder gør dem mere til omprogrammerbare stregkoder end simple hukommelsesbits, hun sagde.

"Ingen har været i stand til reversibelt at ændre formen på en enkelt partikel med det kontrolniveau, vi har, så vi er virkelig begejstrede for dette, "Sagde Ringe.

Ændring af en nanopartikels interne struktur ændrer også dets ydre plasmoniske respons. Plasmoner er de elektriske krusninger, der forplanter sig hen over overfladen af ​​metalliske materialer, når de ophidses af lys, og deres svingninger kan let aflæses med et spektrometer – eller endda det menneskelige øje – når de interagerer med synligt lys.

Rice-forskerne fandt ud af, at de kunne omkonfigurere nanopartikelkerner med præcision. Det betyder, at minder lavet af nanorods ikke kun behøver at være tændt og slukket, Ringe sagde:fordi en partikel kan programmeres til at udsende mange forskellige plasmoniske mønstre.

Opdagelsen kom, da Ringe og hendes team, som administrerer Rices avancerede elektronmikroskopi laboratorium, blev spurgt af sin kollega og medforfatter Denis Boudreau, en professor ved Laval University i Quebec, at karakterisere hule nanorods lavet primært af guld, men indeholdende sølv.

"De fleste nanoshells er utætte, " sagde Ringe. "De har nålehuller. Men vi indså, at disse nanorods var fejlfri og indeholdt lommer af vand, der var fanget inde, da partiklerne blev syntetiseret. Vi tænkte:Vi har noget her."

Ringe og undersøgelsens hovedforfatter, Risforsker Sadegh Yazdi, hurtigt indset, hvordan de kunne manipulere vandet. "Naturligvis, det er svært at lave kemi der, fordi man ikke kan putte molekyler i en forseglet nanoskal. Men vi kunne sætte elektroner ind, " hun sagde.

Fokusering af en subnanometer elektronstråle på det indre hulrum splittede vandet og indsatte solvatiserede elektroner – frie elektroner, der kan eksistere i en opløsning. "Elektronerne reagerede direkte med sølvioner i vandet, trække dem til bjælken for at danne sølv, "Sagde Ringe. Den nu sølvfattige væske bevægede sig væk fra strålen, og dets sølvioner blev genopfyldt ved en reaktion af vandsplittende biprodukter med det faste sølv i andre dele af stangen.

"Vi flyttede faktisk sølv i løsningen, omkonfigurere det, "sagde hun." Fordi det er et lukket system, vi mistede ikke noget, og vi fik ikke noget. Vi flyttede bare rundt, og kunne gøre det så mange gange, som vi ville."

Forskerne var derefter i stand til at kortlægge de plasmoninducerede nærfeltegenskaber uden at forstyrre den interne struktur - og det var da de indså implikationerne af deres opdagelse.

"Vi lavede forskellige former inde i nanoroderne, og fordi vi specialiserer os i plasmonics, vi kortlagde plasmonerne og det viste sig at have en meget flot effekt, " sagde Ringe. "Vi så grundlæggende forskellige elektriske feltfordelinger ved forskellige energier for forskellige former." Numeriske resultater leveret af samarbejdspartnerne Nicolas Large fra University of Texas i San Antonio og George Schatz fra Northwestern University hjalp med at forklare oprindelsen af ​​tilstandene og hvordan tilstedeværelsen af ​​en vandfyldt lomme skabte et væld af plasmoner, hun sagde.

Den næste udfordring er at teste nanoshells i andre former og størrelser, og for at se, om der er andre måder at aktivere deres koblingspotentialer på. Ringe formoder, at elektronstråler forbliver den bedste og måske eneste måde at katalysere reaktioner inde i partikler, og hun er håbefuld.

"Brug af en elektronstråle er faktisk ikke så teknologisk irrelevant, som du måske tror, " sagde hun. "Elektronstråler er meget nemme at generere. Og ja, ting skal være i vakuum, men bortset fra det, mennesker har genereret elektronstråler i næsten 100 år. Jeg er sikker på, at for 40 år siden sagde folk, 'Vil du sætte en laser i en disklæser? Det er skørt!' Men det lykkedes dem at gøre det.

"Jeg synes ikke, det er umuligt at miniaturisere elektronstråle-teknologi. Mennesker er gode til at flytte elektroner og elektricitet rundt. Vi fandt ud af det for længe siden, sagde Ringe.

Forskningen skal sætte gang i fantasien hos forskere, der arbejder med at skabe maskiner og processer i nanoskala, hun sagde.

"Dette er en rekonfigurerbar enhed, som du kan få adgang til med lys, " sagde hun. "At læse noget med lys er meget hurtigere end at læse med elektroner, så jeg tror, ​​at dette vil få opmærksomhed fra folk, der tænker på dynamiske systemer, og folk, der tænker på, hvordan man kan gå ud over den nuværende nanoteknologi. Dette åbner virkelig et nyt felt. "