Wetenschappers hebben op maat gemaakte nanodeeltjes gekweekt

Natuurkundigen van de Ural Federal University (UrFU) en hun collega’s van het Institute of Electrophysics, Ural Branch van de Russian Academy of Sciences, en het Institute of Ion Plasma and Laser Technologies, Academy of Sciences of Oezbekistan hebben een technologie ontwikkeld voor de groei van niet-sferische nanodeeltjes die worden gesynthetiseerd tijdens het proces van ionenimplantatie.

De nieuwe techniek maakt het mogelijk om nanodeeltjes van verschillende vormen te laten groeien en zo de nodige eigenschappen te verkrijgen en deze eigenschappen te beheersen. De technologie is toepasbaar op verschillende metalen, zowel edele metalen als goud, zilver en platina, als ook ‘gewone’ metalen, verzekeren de wetenschappers. Een beschrijving van de technologie en de resultaten van de eerste experimenten – koperimplantatie in keramiek – gepubliceerd in de Journal of Physics and Chemistry of Solids.

“Door de vorm van de nanodeeltjes te veranderen van sferisch naar niet-sferisch, konden we het bereik van optische absorptie vergroten. Dit is op zijn beurt de basis voor verdere omzetting van geabsorbeerde energie in elektriciteit, warmte. Als resultaat hebben we kunnen meer functionele sensoren krijgen en hun gevoeligheidsbereik vergroten”, legt de co-auteur van de studie Arseny Kiryakov, universitair hoofddocent bij UrFU Department of Physical Methods and Quality Control Devices, uit.

“Als dergelijke nanodeeltjes worden ingebed in lasers, zal het laservermogen toenemen. Als we het over sensoren hebben, zal hun gevoeligheid toenemen. Wat betreft de sensoren, hun responstijd zal veranderen. Dit komt allemaal door de eigenaardigheid van plasmonresonantie, die een versterkt elektrisch veld om rond de nanodeeltjes te verschijnen.”

Metalen nanodeeltjes worden gebruikt om allerlei problemen op te lossen: van biologisch (sensoren voor het bepalen van de samenstelling van eiwitten, DNA-analyse, enz.) tot fysiek (het maken van versterkte lasers, fotoluminescente sensoren, enz.). Dus, in contact met biobjecten – DNA, virussen, antilichamen – laten plasmonische nanostructuren meer dan een orde van grootte toe om de intensiteit van fluorescentiesignalen te verhogen, dwz de mogelijkheden van detectie, identificatie en diagnose aanzienlijk uit te breiden. En door de vorm van nanodeeltjes te veranderen, kunnen deze eigenschappen worden gecontroleerd en verbeterd.

Dankzij de eerste experimenten met koperdeeltjes konden wetenschappers een metamateriaal maken dat geen analogen heeft.

“Het nieuwe materiaal bestaat uit niet-sferische plasmonische nanodeeltjes in een matrix van optisch transparante stralingsbestendige keramiek. De gecontroleerde morfologie van plasmonische nanodeeltjes zorgt voor verbeterde spectrale eigenschappen en verhoogt de energieconversie-efficiëntie van geabsorbeerde fotonen”, zegt Anatoly Zatsepin, professor aan de afdeling Fysieke methoden en apparatuur voor kwaliteitscontrole bij de UrFU.

“We ontdekten dat de unieke fysieke eigenschappen van het verkregen materiaal worden veroorzaakt door een speciaal fenomeen – het effect van oppervlakteplasmonresonantie.”

Daarnaast stelde een co-onderzoeker uit Oezbekistan een universeel wiskundig model voor dat dit proces beschrijft. Volgens de natuurkundigen is het model belangrijk om te beschrijven en te begrijpen wat er met nanodeeltjes in verschillende materialen gebeurt, en het is het eerste model dat de groei van niet-bolvormige nanodeeltjes beschrijft. Eerdere modellen houden geen rekening met de ongebruikelijke vorm van de deeltjes.

Natuurkundigen zijn van plan hun begrip van de aard en wetten van fysische verschijnselen die optreden in het materiaal onder externe energie-invloeden uit te breiden, wat op zijn beurt informatie zal opleveren over nieuwe mogelijkheden voor de functionele toepassing van dit soort materialen.