‘Zachte’ nanodeeltjes geven plasmonen nieuwe mogelijkheden

Groter is niet altijd beter, maar hier is iets dat klein begint en beter wordt naarmate het groter wordt.

Steek het gewoon aan en kijk.

Een team onder leiding van de chemici van Rice University Christy Landes en Stephan Link, beide verbonden aan het Smalley-Curl Institute, hebben hybride deeltjes gemaakt die de onverslaanbare lichtopvangende eigenschappen van plasmonische nanodeeltjes combineren met de flexibiliteit van katalytische polymeercoatings. Hun werk zou kunnen helpen bij het aandrijven van langverwachte plasmonische toepassingen in elektronica, beeldvorming, detectie en geneeskunde.

Plasmonen zijn de detecteerbare rimpelingen van energie die op het oppervlak van sommige metalen worden gecreëerd wanneer ze worden opgewekt door licht of andere input. Nanoantennes zijn microscopisch kleine stukjes van deze metalen, zoals goud, zilver en aluminium. Omdat ze gevoelig zijn voor specifieke inputs, afhankelijk van hun grootte, vorm en type, zijn ze instelbaar en daarom bruikbaar als sensoren, bioimaging-middelen en zelfs als therapeutica.

Het doel van hoofdauteurs Emily Searles, een afgestudeerde scheikundestudent, en Sean Collins, een voormalig Carl en Lillian Illig Postdoctoral Fellow bij Rice, was om hybride nano-antennes te creëren met maximale energieoverdracht van hun metalen kernen naar een polymeercoating.

Ze vonden een manier om gouden nanodeeltjes op een elektrochemische drager te coaten met een lichtgevoelig polymeer op nikkelbasis. Wanneer het wordt geactiveerd door licht, stroomt de energie van de plasmonen van het goud in de coating, terwijl het toegepaste potentieel in de elektrochemische cel nieuwe polymerisatie van monomeren in oplossing induceert, waardoor de coatinggrootte wordt verdubbeld. De resulterende hybride dempt lichtverstrooiing van de plasmonen door energie over te brengen naar de polymeeromhulling.

“De hoop is dat, omdat we de energie in het polymeer hebben gestopt, we die energie nu kunnen gebruiken om te reageren met andere moleculen op het oppervlak van het zachte grensvlak”, zei Searles. “Er zijn geen reacties in dit document opgenomen, maar daar willen we heen.”

De studie verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano.

De bestudeerde goud-polymeerdeeltjes maten ongeveer 35 bij 85 nanometer vóór polymerisatie en tweemaal zo lang daarna. Op hun hoogtepunt in experimenten en simulaties leverden ze 50% efficiëntie bij het overbrengen van energie van het nanodeeltje naar de coating, 20% beter dan de vorige benchmark.

Experimenten omvatten het plaatsen van individuele gecoate deeltjes op een indiumtinoxide-elektrode onder een hyperspectrale donkerveldbeeldmicroscoop om hun verstrooiingsspectra vast te leggen.

De onderzoekers kenden twee mogelijke wegen om de lichtenergie tussen metalen en de polymeercoating over te brengen: lading- en resonantie-energieoverdracht.

“Deze nieuwe hybriden, die gebruik maken van energieoverdrachtspaden, zouden twee huidige uitdagingen kunnen oplossen met plasmonische fotokatalyse”, zei Link. “Ten eerste is de efficiëntie vaak laag omdat de ladingsoverdracht traag is in vergelijking met andere concurrerende processen.

“Ten tweede vereist ladingsoverdracht meestal een opofferende tegenreactie of wordt de katalysator na verloop van tijd vergiftigd”, zei hij. “Deze op energieoverdracht gebaseerde hybriden elimineren de noodzaak van een opofferingsreactie omdat zowel elektronen- als gatoverdracht gelijktijdig plaatsvinden.”

De eerste uitdaging was uitzoeken welk polymeer het beste was om energie van hier naar daar te krijgen.

“De nano-antennes en het polymeer lijken erg op elkaar als je simpelweg het lichtspectrum meet dat ze absorberen”, zegt Collins, nu lithografieprocesingenieur bij Intel.

Ze absorberen het licht echter op totaal verschillende manieren en de truc is om die twee mechanismen samen te laten werken. De nanoantenna werpt een enorm net uit om lichtenergie naar binnen te trekken en deelt het grootste deel van de vangst met het hongerige polymeer, waardoor veel meer energie dan het ooit alleen zou kunnen oogsten. “

Het team bepaalde de plasmonische resonantiedipool in het goud en de elektrische dipoolovergangen in het nikkelpolymeer uitgelijnd wanneer ze werden geactiveerd met licht, wat een pad bood voor ladingsdragers om uit het polymeer te migreren.

“De energie in het polymeer verdwijnt na een tijdje, maar het lijkt niet terug te keren naar het goud”, zei Searles.

De polymeercoating bereikt een punt van afnemende opbrengsten, zei ze. “We ontdekten dat er een soort gelukkige plek is waar je geen energieoverdracht meer zult zien”, zei Searles. “Het polymeer dat je toevoegt, is te ver weg van het nanodeeltje.”

Alle variabelen tussen lichtinvoer, nanodeeltjesconfiguratie en polymeer zullen Searles jarenlang bezig houden met onderzoek naar praktische toepassingen.

“Het doel is om een ​​bibliotheek van deze systemen te creëren”, zei ze. “Afhankelijk van de toepassing willen we het spectrum verschuiven om de hoogste energie-efficiëntie te bereiken. Er zijn zeker veel verschillende dingen om af te stemmen.”

Landes benadrukte het belang van een samenwerkingsteam en de mogelijkheid om nieuwe beeldvormings- en spectroscopietools in het project te combineren.

“Als we hopen het potentieel van nieuwe nanomaterialen in toekomstige toepassingen te benutten, is het cruciaal om te begrijpen hoe fundamentele processen zoals energieoverdracht hun materiaaleigenschappen op nano- en macroschaal sturen”, zei ze. “Dergelijke inspanningen zijn groter dan kan worden bereikt met een enkele methode of een enkel laboratorium.”