Produktgodkendelse lige ved hånden

Forestil dig, hvis vanddamp i din ånde eller omkring dine fingerspidser afslørede usynlige mønstre på kommercielle produkter - smartphones, bærbare computere, dyr spiritus - der bekræftede produkternes ægthed og hjalp med at bekæmpe varemærkeforfalskning.

Forestille, også, hvis det er hurtigt, stabil, og reversibel farveskift kunne let udvikles i faste stoffer, åbne op for lovende applikationer i farveskærme, skiltning, sensorer, og informationskryptering.

Et hold ledet af en kemiker ved University of California, Riverside, har bragt denne fantasi tættere på virkeligheden ved for første gang at fremstille "plasmoniske" farveskiftbare film af sølv nanopartikler, eller AgNP'er. Indtil nu, sådan farveændring af nanopartikler blev hovedsageligt opnået i væsker, begrænse deres potentiale for praktiske anvendelser.

"Hurtig og reversibel tuning af plasmonisk farve i faste film, en udfordring indtil nu, lover meget for en række applikationer, " sagde Yadong Yin, professor i kemi, der ledede forskerholdet. "Vores nye arbejde bringer plasmoniske metalnanopartikler til forkant med farvekonverterende applikationer."

Undersøgelsesresultater vises i Angewandte Chemie International Edition . Forskningspapiret er blevet udpeget som VIP-papir af tidsskriftet.

Plasmonik

Plasmoniske metal nanopartikler, såsom guld og sølv, har særlige optiske egenskaber, fordi de effektivt absorberer og spreder lys ved bestemte bølgelængder. Deres farver kan ændres ved at ændre afstanden mellem deres individuelle partikler - en funktion, som Yins forskerhold udnyttede til at udvikle deres plasmoniske farveskiftende film.

Forskerne har belagt et glassubstrat med et lag natriumborat, eller borax. Derefter sprøjtede de AgNP'er over boraxen for at danne en film. Yin forklarede, at hver AgNP har capping-ligander på sin overflade, der indfører afstand mellem AgNP'erne. Uden bufferen tilvejebragt af liganderne, nanopartiklerne ville klumpe sig sammen.

Kemi lektion

I nærvær af vand eller fugt, borax bliver til borsyre og frigiver hydroxylioner. Disse ioner "deprotonerer" en kemisk gruppe af ligander, resulterer i tab af en proton og tilføjelse af en negativ ladning på AgNP'erne. Frastødningskræfter skubber de negativt ladede nanopartikler væk fra hinanden. Nanopartiklerne, som er lyserøde, erhverve nye interpartikelafstande, får dem til at afspejle en anden farve:gul.

Når fugten er fjernet, borsyren omdannes tilbage til borax ved at fange hydroxylioner, initierer en protonering af ligandens kemiske gruppe. Dette forårsager en reduktion i overfladeladninger på liganden, svækker frastødningskræfterne mellem AgNP'erne og får dem til at rykke tættere på hinanden og aggregere. Med interpartikelafstande nu reduceret, farven på AgNP-filmen skifter tilbage fra gul til pink, demonstrerer fuld reversibilitet.

"Gennem denne mekanisme, vi kunne hurtigt opnå plasmonisk farveskift af AgNP-filmen i nærvær eller fravær af fugt, " sagde Yin. "I vores eksperimenter, vi udsatte AgNP-filmen for fugt på 80 % relativ luftfugtighed og fandt ud af, at filmen skiftede farve fra pink til rød, orange, og til sidst gul."

Ved fingerspidserne

Ved at bruge den relative luftfugtighed omkring menneskets fingre – så høj som 100 % – fandt Yins team ud af, at AgNP-film kan skifte farve som reaktion på, at en fingerspids er i nærheden.

"Dette giver mulighed for en bekvem, hurtig, og berøringsfri metode, der kan bruges til informationskryptering og produktgodkendelse, "Yin sagde. "Forskellige højopløsningsmønstre kan effektivt krypteres i AgNP-filmene gennem en litografiproces og derefter dekrypteres, når de udsættes for fugt i menneskelig ånde eller fra fingerspidserne. Andre forudsigelige applikationer inkluderer sikker kommunikation og kalorimetrisk miljø- eller sundhedsovervågning i realtid."

Yins team fandt ud af, at de fugtfølsomme AgNP-film viste reversibilitet og repeterbarhed ved plasmonisk farveskift i mere end 1, 000 cyklusser.