Een opkomende technologie met kleine deeltjes die licht absorberen en veranderen in gelokaliseerde warmtebronnen, is veelbelovend op verschillende gebieden, inclusief medicijnen. Bijvoorbeeld, fotothermische therapie, een nieuw type kankerbehandeling, omvat het richten van infrarood laserlicht op nanodeeltjes in de buurt van de behandelingsplaats.

Plaatselijke verwarming in deze systemen moet zorgvuldig worden gecontroleerd, aangezien levend weefsel kwetsbaar is. Ernstige brandwonden en weefselbeschadiging kunnen het gevolg zijn als ongewenste verwarming op de verkeerde plaats plaatsvindt. De mogelijkheid om temperatuurstijgingen te monitoren is cruciaal bij de ontwikkeling van deze technologie. Er zijn verschillende benaderingen geprobeerd, maar ze hebben allemaal verschillende soorten nadelen, inclusief de noodzaak om sondes in te brengen of extra materialen te injecteren.

In het nummer van deze week van APL Fotonica wetenschappers rapporteren de ontwikkeling van een nieuwe methode om temperaturen in deze systemen te meten met behulp van een vorm van licht die bekend staat als terahertz-straling. De studie omvatte suspensies van gouden nanostaafjes van verschillende groottes in water in kleine cuvetten, die werden belicht door een laser gericht op een kleine plek in de cuvet.

De kleine goudstaafjes absorbeerden het laserlicht en zetten het om in warmte die zich door convectie door het water verspreidde. "We kunnen de temperatuurverdeling in kaart brengen door de cuvet te scannen met terahertzstraling, het maken van een warmtebeeld, " zei co-auteur Junliang Dong.

De studie keek ook naar de manier waarop de temperatuur in de loop van de tijd varieerde. "Met behulp van een wiskundig model, we kunnen de efficiëntie berekenen waarmee de gouden nanostaaf-suspensies infrarood licht in warmte omzetten, ", aldus co-auteur Holger Breitenborn.

De kleinste gouddeeltjes, met een diameter van 10 nanometer, omgezet laserlicht in warmte met de hoogste efficiëntie, ongeveer 90%. Deze waarde is vergelijkbaar met eerdere rapporten voor deze gouddeeltjes, wat aangeeft dat de metingen met terahertz-straling nauwkeurig waren.

Hoewel de kleinere goudstaven de hoogste licht-naar-warmte conversie-efficiëntie hadden, de grootste staafjes - die met een diameter van 50 nanometer - vertoonden de grootste molaire verwarmingssnelheid. Deze hoeveelheid is onlangs geïntroduceerd om het gebruik van nanodeeltjes in biomedische omgevingen te helpen evalueren.

"Door metingen van temperatuurtransiënten in de tijd en thermische beelden in de ruimte op terahertz-frequenties te combineren, we hebben een contactloze en niet-invasieve techniek ontwikkeld om deze nanodeeltjes te karakteriseren, " zei co-auteur Roberto Morandotti. Dit werk biedt een aantrekkelijk alternatief voor invasieve methoden en is veelbelovend voor biomedische toepassingen.