Bløde nanopartikler giver plasmoner nyt potentiale

Større er ikke altid bedre, men her er noget, der starter i det små og bliver bedre, efterhånden som det bliver større.

Bare tænd den op og se.

Et hold ledet af Rice University kemikere Christy Landes og Stephan Link, begge tilknyttet Smalley-Curl Institute, har lavet hybridpartikler, der kombinerer de uovertrufne lys-høstende egenskaber ved plasmoniske nanopartikler med fleksibiliteten af ​​katalytiske polymerbelægninger. Deres arbejde kunne hjælpe med at drive langvarige plasmoniske applikationer inden for elektronik, billeddannelse, sansning og medicin.

Plasmoner er de påviselige krusninger af energi, der skabes på overfladen af ​​nogle metaller, når de exciteres af lys eller andet input. Nanoantenner er mikroskopiske dele af disse metaller, som guld, sølv og aluminium. Fordi de er følsomme over for specifikke input afhængigt af deres størrelse, form og type, de er indstillelige og derfor nyttige som sensorer, biobilleddannende midler og endda som terapeutika.

Målet for hovedforfatterne Emily Searles, en kandidatstuderende i kemi, og Sean Collins, en tidligere Carl og Lillian Illig postdoc ved Rice, var at skabe hybride nanoantenner med maksimal energioverførsel fra deres metalkerner til en polymerbelægning.

De fandt en måde at belægge guld nanopartikler på en elektrokemisk støtte med en lysfølsom, nikkelbaseret polymer. Når den udløses af lys, energi fra guldets plasmoner flyder ind i belægningen, mens det påførte potentiale i den elektrokemiske celle inducerer ny polymerisation fra monomerer i opløsning, fordobling af belægningsstørrelsen. Den resulterende hybrid dæmper lysspredning fra plasmonerne ved at overføre energi til polymerskallen.

"Håbet er, at fordi vi har lagt energien i polymeren, vi kan nu udnytte den energi til at reagere med andre molekyler på overfladen af ​​den bløde grænseflade, " sagde Searles. "Der er ingen reaktioner inkluderet i dette papir, men det er der, vi vil hen."

Undersøgelsen vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

De undersøgte guld-polymerpartikler målte omkring 35 x 85 nanometer før polymerisation og det dobbelte efter. På deres højdepunkt i eksperimenter og simuleringer, de leverede 50 % effektivitet til at overføre energi fra nanopartiklerne til belægningen, 20 % bedre end det tidligere benchmark.

Eksperimenter involverede at sætte individuelle coatede partikler på en indiumtinoxidelektrode under et hyperspektralt mørkfeltsbilledmikroskop for at registrere deres spredningsspektre.

Forskerne kendte til to mulige veje til at overføre lysenergien mellem metaller og polymerbelægningen:ladning og resonansenergioverførsel.

"Disse nye hybrider, udnytte energioverførselsveje, kunne løse to aktuelle udfordringer med plasmonisk fotokatalyse, " sagde Link. "Først, effektiviteten er ofte lav, fordi ladningsoverførslen er langsom i forhold til andre konkurrerende processer.

"Sekund, ladningsoverførsel kræver normalt en opofrende modreaktion, eller katalysatoren forgiftes over tid, " sagde han. "Disse energioverførselsbaserede hybrider eliminerer behovet for en offerreaktion, fordi både elektron- og huloverførsel forekommer samtidigt."

Den første udfordring var at finde ud af, hvilken polymer der var bedst til at få energi herfra til der.

"Nanoantennerne og polymeren ligner meget hinanden, hvis du blot måler det lysspektrum, de absorberer, " sagde Collins, nu litografisk procesingeniør hos Intel.

"Imidlertid, de absorberer faktisk lyset på helt forskellige måder, og tricket er at få de to mekanismer til at arbejde sammen. Nanoantennen kaster et enormt net til at trække lysenergi ind og deler det meste af fangsten med den sultne polymer, giver polymeren langt mere energi, end den nogensinde kunne høste alene."

Holdet bestemte den plasmoniske resonansdipol i guldet og de elektriske dipolovergange i nikkelpolymeren justeret, når den udløses med lys, tilvejebringelse af en vej for ladningsbærere til at migrere fra polymeren.

"Energien i polymeren forsvinder efter et stykke tid, men det ser ikke ud til at vende tilbage til guldet, " sagde Searles.

Polymerbelægningen når et punkt med aftagende afkast, hun sagde. "Vi fandt ud af, at der er et slags lykkeligt sted, hvor du ikke kommer til at se mere energioverførsel, " sagde Searles. "Den polymer, du tilføjer, er for langt væk fra nanopartiklerne."

Alle variabler mellem lysindfald, nanopartikelkonfiguration og polymer vil holde Searles beskæftiget i årevis, mens hun forsker i praktiske anvendelser.

"Målet er at være i stand til at skabe et bibliotek af disse systemer, " sagde hun. "Afhængig af ansøgningen, vi ønsker at flytte spektret for at have den højeste energieffektivitet. Der er mange forskellige ting at tune, helt sikkert."

Landes understregede vigtigheden af ​​et samarbejdende team samt evnen til at kombinere nye billeddannelses- og spektroskopiværktøjer til projektet.

"Hvis vi håber at udnytte potentialet i nye nanomaterialer i fremtidige applikationer, det er afgørende at forstå, hvordan så fundamentale processer som energioverførsel driver deres materialeegenskaber på nano- og makroskalaen, " sagde hun. "Sådan indsats er større, end der kan opnås ved en enkelt metode eller et enkelt laboratorium."