(Phys.org)—Plasmonische gouden nanodeeltjes maken nauwkeurige verwarming op aanvraag mogelijk. Nu hebben onderzoekers van de Rice University een manier gevonden om verschillende nanodeeltjes selectief te verhitten die hun gebruik in de geneeskunde en de industrie zouden kunnen bevorderen.

Rijstwetenschappers onder leiding van Dmitri Lapotko en Ekaterina Lukianova-Hleb toonden gewone gouden nanodeeltjes, sinds de 19e eeuw bekend als goudcolloïden, warm worden op nabij-infrarode golflengten zo smal als enkele nanometers wanneer ze worden geraakt door zeer korte pulsen van laserlicht. Het verrassende effect gerapporteerd in Geavanceerde materialen lijkt verband te houden met niet-stationaire optische excitatie van plasmonische nanodeeltjes. Plasmonen zijn vrije elektronen op het oppervlak van metalen die worden geëxciteerd door de invoer van energie, meestal van licht. Bewegende plasmonen kunnen optische energie omzetten in warmte.

"Het belangrijkste idee met gouden nanodeeltjes en plasmonics in het algemeen is om energie om te zetten, Lapotko zei. "Er zijn twee aspecten:een is hoe efficiënt je energie kunt omzetten, en hier zijn gouden nanodeeltjes wereldkampioenen. Hun optische absorptie is ongeveer een miljoen keer hoger dan alle andere moleculen in de natuur.

"Het tweede aspect is hoe je laserstraling precies kunt gebruiken om deze fotothermische conversie te laten plaatsvinden, " zei hij. Deeltjes reageren traditioneel op brede lichtspectra, en niet veel daarvan bevindt zich in het waardevolle nabij-infraroodgebied. Nabij-infrarood licht is onzichtbaar voor water en, kritischer voor biologische toepassingen, naar weefsel.

"Dit was het probleem, " zei Lapotko. "Alle nanodeeltjes, beginnend met massief gouden colloïden en overgaand op meer geavanceerde, geconstrueerde gouden nanoshells, nanostaafjes, kooien en sterren, hebben zeer brede spectra, typisch ongeveer 100 nanometer, wat betekent dat we maar één type nanodeeltje tegelijk mochten gebruiken. Als we probeerden verschillende soorten te gebruiken, hun spectra overlappen elkaar en we hebben niet geprofiteerd van de hoge afstembaarheid van lasers."

De ontdekking maakt gecontroleerde laserpulsen mogelijk om het absorptiespectrum van gewone gouden colloïden af ​​te stemmen, zei Lapotko. "Deze nieuwe benadering is in strijd met het gevestigde paradigma dat aanneemt dat optische eigenschappen van nanodeeltjes vooraf zijn ingesteld tijdens hun fabricage en constant blijven tijdens hun optische excitatie, " hij zei.

Het Rice-lab toonde aan dat basale colloïdale gouden nanodeeltjes efficiënt kunnen worden geactiveerd door een korte laserpuls op 780 nanometer, met een 88-voudige versterking van het fotothermische effect gezien met een continue laser. De onderzoekers herhaalden hun experiment met clusters van nanodeeltjes in water, in levende kankercellen en bij dieren, met dezelfde of betere resultaten:ze vertoonden spectrale pieken van twee nanometer breed. Zulke smalle fotothermische spectra waren nog nooit gezien voor metalen nanodeeltjes, afzonderlijk of in clusters.

Het effect lijkt af te hangen van damp-nanobellen die ontstaan ​​wanneer de deeltjes vloeistof in hun directe omgeving verhitten. De nanobellen groeien en barsten in een oogwenk. "In plaats van het nanodeeltje te gebruiken als koellichaam met een continue, stationaire laser, we creëren een voorbijgaande, niet-stationaire situatie waarin het deeltje op een totaal andere manier interageert met de invallende laser, " zei Lapotko. Hij zei dat het effect herhaalbaar is en werkt met laserpulsen korter dan 100 picoseconden.

Nog beter, een experiment met gemengde nanostaafjes en nanoschillen wees uit dat ze reageerden op laserpulsen met sterke, verschillende signalen op golflengten van 10 nanometer uit elkaar. Dat betekent dat twee of meer soorten nanodeeltjes op dezelfde locatie selectief op aanvraag kunnen worden geactiveerd.

"De nanodeeltjes die we gebruikten waren niets bijzonders; ze werden in de 19e eeuw gebruikt door Michael Faraday, en men geloofde dat ze niets konden doen in het nabij-infrarood, " zei hij. "Dat was de belangrijkste motivatie voor mensen om nanostaafjes uit te vinden, nanoshells en de andere vormen. Hier, we bewijzen dat deze goedkope deeltjes zich vrij goed kunnen gedragen in nabij-infrarood." Hij zei dat de ontdekking de mogelijkheid opent dat veel metalen nanodeeltjes kunnen worden gebruikt in biomedische en industriële toepassingen waar spectrale selectiviteit en afstemming "ongekende" precisie zou bieden.

"Dit is nog steeds meer een fenomeen dan een vaststaand mechanisme, met een mooie theoretische basis, " zei Lapotko. "Maar wanneer volledig opgehelderd, het zou een universeel hulpmiddel kunnen worden."