Een vraag van een halve eeuw oud aanpakken, ingenieurs van Stanford hebben definitief vastgesteld hoe collectieve elektronenoscillaties, plasmonen genoemd, gedragen zich in afzonderlijke metaaldeeltjes met een diameter van slechts enkele nanometers. Deze kennis kan nieuwe wegen openen in nanotechnologie, variërend van zonnekatalyse tot biomedische therapieën.

Het fysische fenomeen van plasmonresonanties in kleine metaaldeeltjes wordt al eeuwenlang gebruikt. Ze zijn zichtbaar in de levendige tinten van de grote glas-in-loodramen van de wereld. Recenter, plasmonresonanties zijn door ingenieurs gebruikt om nieuwe, door licht geactiveerde kankerbehandelingen en om de lichtabsorptie in fotovoltaïsche energie en fotokatalyse te verbeteren.

"De glas-in-loodramen van de Notre Dame Cathedral en de Stanford Chapel ontlenen hun kleur aan metalen nanodeeltjes die in het glas zijn ingebed. Wanneer de ramen verlicht zijn, de nanodeeltjes verspreiden specifieke kleuren, afhankelijk van de grootte en geometrie van het deeltje ", zegt Jennifer Dionne, een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan Stanford en de senior auteur van een nieuw artikel over plasmonresonanties dat in het tijdschrift zal worden gepubliceerd Natuur . In de studie, het team van ingenieurs rapporteert de directe waarneming van plasmonresonanties van individuele metaaldeeltjes met een diameter tot één nanometer - slechts enkele atomen breed.

"Voor deeltjes kleiner dan ongeveer tien nanometer in diameter, plasmonresonanties worden slecht begrepen, " zei Jonathan Scholl, een promovendus in het laboratorium van Dionne en eerste auteur van het artikel. "Deze klasse van metalen nanodeeltjes van kwantumformaat is grotendeels onderbenut. Het onderzoeken van hun grootte-afhankelijke aard zou een aantal interessante toepassingen op nanoschaal kunnen openen."

Langdurig debat

De wetenschap van minuscule metaaldeeltjes heeft fysici en ingenieurs al tientallen jaren verbijsterd. Onder een bepaalde drempel, als metaaldeeltjes in de buurt van de kwantumschaal - ongeveer 10 nanometer in diameter - de klassieke natuurkunde instort. De deeltjes beginnen unieke fysische en chemische eigenschappen te vertonen die bulktegenhangers van dezelfde materialen niet hebben. Een nanodeeltje zilver met een diameter van enkele atomen, bijvoorbeeld, reageert op fotonen en elektronen op een manier die heel anders is dan een groter deeltje of plak zilver.

Door de details van deze overgang van klassiek naar kwantum duidelijk te illustreren, Scholl en Dionne hebben het veld van plasmonica naar een nieuw rijk geduwd dat blijvende gevolgen zou kunnen hebben voor katalytische processen zoals kunstmatige fotosynthese, kankeronderzoek en -behandeling, en kwantumcomputers.

"Deeltjes op deze schaal zijn gevoeliger en reactiever dan bulkmaterialen, " zei Dionne. "Maar we hebben niet ten volle kunnen profiteren van hun optische en elektronische eigenschappen zonder een volledig beeld van de wetenschap. Dit artikel legt de basis voor nieuwe wegen van nanotechnologie die de 100 tot 10, 000 atoomregime."

edele metalen

In recente jaren, ingenieurs hebben bijzondere aandacht besteed aan nanodeeltjes van de edele metalen:zilver, goud, palladium, platina enzovoort. Van deze metalen is bekend dat ze gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties ondersteunen, de collectieve oscillaties van elektronen aan het metaaloppervlak als reactie op licht of een elektrisch veld.

Andere belangrijke fysische eigenschappen kunnen verder worden aangedreven wanneer plasmonen worden beperkt in extreem kleine ruimtes, zoals de nanodeeltjes die Dionne en Scholl bestudeerden. Het fenomeen staat bekend als kwantumopsluiting.

Afhankelijk van de vorm en grootte van het deeltje, kwantumopsluiting kan de elektronische en optische respons van een deeltje domineren. Met dit onderzoek kunnen wetenschappers, Voor de eerste keer, om de geometrie van een plasmonisch deeltje van kwantumgrootte direct te correleren - zijn vorm en grootte - met zijn plasmonresonanties.

Staan om te profiteren

Nanotechnologie zal profiteren van dit nieuwe inzicht. "We zouden nieuwe elektronische of fotonische apparaten kunnen ontdekken op basis van excitatie en detectie van plasmonen in deeltjes van kwantumgrootte. Als alternatief, er kunnen kansen zijn in katalyse, kwantum optica, en bio-imaging en therapieën, ' zei Dionne.

Medische wetenschap, bijvoorbeeld, heeft een manier bedacht om door licht opgewekte nanodeeltjes te gebruiken om kankercellen weg te branden, een proces dat bekend staat als fotothermische ablatie. Metalen nanodeeltjes zijn bevestigd met moleculaire aanhangsels, liganden genaamd, die zich uitsluitend hechten aan chemische receptoren op kankercellen. Bij bestraling met infrarood licht, de metalen nanodeeltjes worden warm, het verbranden van de kankercellen terwijl het omliggende gezonde weefsel onaangetast blijft. De eigenschappen van kleinere nanodeeltjes kunnen de nauwkeurigheid en effectiviteit van dergelijke technologieën verbeteren, vooral omdat ze gemakkelijker in cellen kunnen worden geïntegreerd.

Er is een grote belofte voor zulke kleine nanodeeltjes in katalyse, ook. De grotere oppervlakte-tot-volumeverhoudingen die worden geboden door nanodeeltjes op atomaire schaal zouden de watersplitsing en kunstmatige fotosynthese kunnen verbeteren, het opleveren van schone en hernieuwbare energiebronnen uit kunstmatige brandstoffen. Profiteren van kwantumplasmonen in deze metalen nanodeeltjes zou de katalytische snelheid en efficiëntie aanzienlijk kunnen verbeteren.

Hulp en hulp

Het vermogen van de onderzoekers om plasmonen waar te nemen in deeltjes van zo'n kleine omvang werd bevorderd door de krachtige, de multi-miljoen dollar milieu scanning transmissie-elektronenmicroscoop (E-STEM) onlangs geïnstalleerd in Stanford's Center for Nanoscale Science and Engineering, een van slechts een handvol van dergelijke microscopen in de wereld.

E-STEM-beeldvorming werd gebruikt in combinatie met elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) - een onderzoekstechniek die de verandering van de energie van een elektron meet terwijl het door een materiaal gaat - om de vorm en het gedrag van individuele nanodeeltjes te bepalen. gecombineerd, STEM en EELS stelden het team in staat om veel van de dubbelzinnigheden van eerdere onderzoeken aan te pakken.

"Met de nieuwe microscoop, we kunnen individuele atomen in het nanodeeltje oplossen, " zei Dionne, "en we kunnen de kwantumplasmonresonanties van deze deeltjes direct waarnemen."

Ai Leen Koh, een onderzoekswetenschapper aan het Stanford Nanocharacterization Laboratory, en co-auteur van het artikel, merkte op:"Hoewel plasmonen kunnen worden onderzocht met zowel licht als elektronen, elektronenexcitatie is voordelig omdat het ons in staat stelt om het nanodeeltje tot op atomair niveau af te beelden en tegelijkertijd zijn plasmonresonanties te bestuderen."

Scholl heeft toegevoegd, "Op een dag, we kunnen de techniek gebruiken om de lopende reacties te bekijken om ze beter te begrijpen en te optimaliseren."

Elegant en veelzijdig

De onderzoekers sloten af ​​door de fysica van hun ontdekking uit te leggen aan de hand van een elegant en veelzijdig analytisch model gebaseerd op bekende kwantummechanische principes.

"Technisch sprekend, we hebben een relatief eenvoudige, computationeel licht model dat plasmonische systemen beschrijft waar klassieke theorieën hebben gefaald, ' zei Scholl.

Hun elegante en veelzijdige model biedt tal van mogelijkheden voor wetenschappelijk gewin.

"Dit artikel vertegenwoordigt fundamenteel onderzoek. We hebben verduidelijkt wat een dubbelzinnig wetenschappelijk begrip was en, Voor de eerste keer, correleerde direct de geometrie van een deeltje met zijn plasmonische resonantie voor deeltjes van kwantumgrootte, " vatte Dionne samen. "En dit zou een aantal zeer interessante, en veel belovend, implicaties en toepassingen."