Forskere kan nu kontrollere termiske profiler på nanoskala

På menneskelig skala, kontrol af temperatur er et ligetil koncept. Skildpadder soler sig for at holde varmen. For at afkøle en tærte frisk fra ovnen, placer den på en stuetemperatur bordplade.

På nanoskalaen - ved afstande mindre end 1/100 af bredden af ​​det tyndeste menneskehår - er det meget vanskeligere at kontrollere temperaturen. Nanoskalaafstande er så små, at objekter let bliver termisk koblede:Hvis en genstand opvarmes til en bestemt temperatur, det samme gør sin nabo.

Når videnskabsmænd bruger en lysstråle som den varmekilde, der er en ekstra udfordring:Takket være varmespredning, materialer i strålebanen opvarmes til omtrent samme temperatur, hvilket gør det vanskeligt at manipulere de termiske profiler af genstande i strålen. Forskere har aldrig været i stand til at bruge lys alene til aktivt at forme og kontrollere termiske landskaber på nanoskala.

I det mindste, ikke før nu.

I et papir offentliggjort online 30. juli af tidsskriftet ACS Nano , et team af forskere rapporterer, at de har designet og testet et eksperimentelt system, der bruger en nær-infrarød laser til aktivt at opvarme to guld nanorod-antenner - metalstænger designet og bygget på nanoskala - til forskellige temperaturer. Nanoroderne er så tæt på hinanden, at de både er elektromagnetisk og termisk koblede. Men holdet, ledet af forskere ved University of Washington, Rice University og Temple University, målte temperaturforskelle mellem stængerne helt op til 20 grader celsius. Ved blot at ændre laserens bølgelængde, de kunne også ændre, hvilken nanorod der var køligere og hvilken der var varmere, selvom stængerne var lavet af samme materiale.

"Hvis du sætter to ens genstande ved siden af ​​hinanden på et bord, normalt ville du forvente, at de har samme temperatur. Det samme gælder på nanoskalaen, " sagde den korresponderende hovedforfatter David Masiello, en UW professor i kemi og fakultetsmedlem i både Molecular &Engineering Sciences Institute og Institute for Nano-Engineered Systems. "Her, vi kan udsætte to koblede objekter af samme materialesammensætning for den samme stråle, og en af ​​disse genstande vil være varmere end den anden."

Masiellos team udførte den teoretiske modellering for at designe dette system. Han samarbejdede med co-korresponderende forfattere Stephan Link, professor i både kemi og elektro- og computerteknik ved Rice University, og Katherine Willets, en lektor i kemi ved Temple University, at bygge og teste det.

Deres system bestod af to nanorods lavet af guld - den ene 150 nanometer lang og den anden 250 nanometer lang, eller omkring 100 gange tyndere end det tyndeste menneskehår. Forskerne placerede nanoroderne tæt sammen, ende til ende på et objektglas omgivet af glycerol.

De valgte guld af en bestemt grund. Som svar på energikilder som en nær-infrarød laser, elektroner i guld kan let "oscillere". Disse elektroniske svingninger, eller overfladeplasmonresonanser, effektivt konvertere lys til varme. Selvom begge nanorods var lavet af guld, deres forskellige størrelsesafhængige plasmoniske polariseringer betød, at de havde forskellige mønstre af elektronsvingninger. Masiellos hold beregnede, at hvis nanorod-plasmonerne oscillerede med enten samme eller modsatte faser, de kunne nå forskellige temperaturer - hvilket modvirker virkningerne af termisk diffusion.

Links og Willets' grupper designede det eksperimentelle system og testede det ved at skinne en nær-infrarød laser på nanoroderne. De studerede strålens effekt ved to bølgelængder - den ene til at oscillere nanorod-plasmonerne med den samme fase, en anden for den modsatte fase.

Holdet kunne ikke direkte måle temperaturen på hver nanorod på nanoskalaen. I stedet, de indsamlede data om, hvordan de opvarmede nanorods og omgivende glycerol spredte fotoner fra en separat stråle af grønt lys. Masiellos team analyserede disse data og opdagede, at nanoroderne bryder fotoner fra den grønne stråle forskelligt på grund af nanoskalaforskelle i temperatur mellem nanoroderne.

"Denne indirekte måling viste, at nanoroderne var blevet opvarmet til forskellige temperaturer, selvom de blev udsat for den samme nær-infrarøde stråle og var tæt nok til at blive termisk koblet, " sagde medforfatter Claire West, en UW ph.d.-kandidat i Institut for Kemi.

Holdet fandt også ud af, at ved at ændre bølgelængden af ​​nær-infrarødt lys, de kunne ændre, hvilken nanorod – kort eller lang – der varmede mere op. Laseren kunne i det væsentlige fungere som en justerbar "switch, " at ændre bølgelængden for at ændre, hvilken nanorod der var varmere. Temperaturforskellene mellem nanoroderne varierede også baseret på deres afstand fra hinanden, men nåede så højt som 20 grader Celsius over stuetemperatur.

Holdets resultater har en række anvendelser baseret på styring af temperatur på nanoskala. For eksempel, forskere kunne designe materialer, der fototermisk styrer kemiske reaktioner med nanoskala præcision, eller temperaturudløste mikrofluidiske kanaler til filtrering af bittesmå biologiske molekyler.

Forskerne arbejder på at designe og teste mere komplekse systemer, såsom klynger og arrays af nanorods. Disse kræver mere indviklede modellering og beregninger. Men i lyset af fremskridtene til dato, Masiello er optimistisk over, at dette unikke partnerskab mellem teoretiske og eksperimentelle forskningsgrupper vil fortsætte med at gøre fremskridt.

"Det var en holdindsats, og resultaterne var mange år undervejs, men det virkede, " sagde Masiello.