Plasmongekoppelde gouden nanodeeltjes die nuttig zijn voor het detecteren van thermische geschiedenis

Onderzoekers hebben aangetoond dat het uitrekken van polymeren met vormgeheugen ingebed met clusters van gouden nanodeeltjes hun plasmon-koppeling verandert, waardoor gewenste optische eigenschappen ontstaan. Een mogelijke toepassing voor het materiaal is een sensor die afhankelijk is van optische eigenschappen om de thermische geschiedenis van een object of omgeving te volgen.

Het gaat om een ​​rekbaar polymeer dat is ingebed met gouden nanobolletjes. Als het materiaal wordt verwarmd en uitgerekt, gevolgd door afkoelen tot kamertemperatuur, zal het materiaal zijn uitgerekte vorm voor onbepaalde tijd behouden. Eenmaal opgewarmd tot 120 graden Celsius, keert het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

Maar wat echt interessant is, is dat de gouden nanobolletjes niet perfect in het polymeer zijn verspreid. In plaats daarvan vormen ze clusters, waarin hun plasmonresonanties aan het oppervlak zijn gekoppeld. Deze plasmon-gekoppelde nanodeeltjes hebben optische eigenschappen die verschuiven afhankelijk van hoe dicht ze bij elkaar zijn, wat verandert bij het uitrekken en de vorm van het composiet verandert.

“Bij het beoordelen van de piekgolflengte van licht dat door het materiaal wordt geabsorbeerd, zijn er significante verschillen, afhankelijk van of het licht parallel of loodrecht op de strekrichting is gepolariseerd”, zegt Joe Tracy, corresponderend auteur van een paper over het werk en een professor in materialen. wetenschap en techniek bij NC State. “Voor licht dat parallel aan de strekrichting is gepolariseerd, hoe verder je het materiaal hebt uitgerekt, hoe verder het geabsorbeerde licht naar het rood verschuift. Voor licht dat loodrecht op de strekrichting is gepolariseerd, is er een blauwverschuiving.”

“We ontdekten ook dat, hoewel het vormgeheugen-polymeer zijn vorm behoudt bij kamertemperatuur, het zijn oorspronkelijke vorm op een voorspelbare manier herstelt, afhankelijk van de temperatuur waaraan het wordt blootgesteld”, zegt Tobias Kraus, co-auteur van het artikel. een groepsleider bij het Leibniz Institute for New Materials en een professor aan de Saarland University.

In het bijzonder, als het eenmaal 140% voorbij zijn oorspronkelijke lengte is uitgerekt, kunt u de hoogste temperatuur bepalen waaraan het polymeer vervolgens wordt blootgesteld, tot 120 graden Celsius, door te meten hoeveel het is teruggekrompen tot zijn oorspronkelijke grootte. Bovendien kan deze verandering door de plasmon-gekoppelde nanodeeltjes indirect gemeten worden door metingen van de optische eigenschappen van het materiaal.

“Vanuit een praktisch perspectief stelt dit je in staat om een ​​optische sensor met thermische historie te maken”, zegt Joe Tracy. “Je kunt licht gebruiken om te zien hoe heet het materiaal is geworden. Een belangrijke toepassing van thermische historiesensoren is het verzekeren van de kwaliteit of veiligheid van het verzenden of opslaan van materialen die gevoelig zijn voor significante veranderingen in warmte. We hebben een aanpak gedemonstreerd die gebaseerd is op plasmon-koppeling van gouden nanodeeltjes. “

Het sensorconcept is empirisch ontwikkeld, maar de onderzoekers gebruikten ook computermodellering om de structuur van de clusters van gouden nanobolletjes beter te begrijpen en hoe de clusters tijdens het strekken veranderden. De kracht van plasmon-koppeling is gerelateerd aan de afstanden tussen nanobolletjes, die bekend staat als een ‘plasmonliniaal’.

“Op basis van onze simulaties kunnen we de afstand tussen plasmon-gekoppelde nanodeeltjes schatten op basis van hun optische eigenschappen”, zegt Amy Oldenburg, co-auteur van het artikel en hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill. “Deze vergelijking is informatief voor het ontwerpen van toekomstige polymere nanocomposieten op basis van plasmon-gekoppelde nanodeeltjes.”