Wetenschappers van Rice University hebben ontdekt hoe ze de interne structuur van halfholle nanostaafjes subtiel kunnen veranderen op een manier die verandert hoe ze omgaan met licht, en omdat de veranderingen omkeerbaar zijn, de methode zou de basis kunnen vormen van een schakelaar op nanoschaal met een enorm potentieel.

"Het is geen 0-1, het is 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10, ", zei Rice-materiaalwetenschapper Emilie Ringe, hoofdwetenschapper van het project, die gedetailleerd wordt beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters . "Je kunt onderscheid maken tussen meerdere plasmonische toestanden in een enkel deeltje. Dat geeft je een soort analoge versie van kwantumtoestanden, maar op een grotere meer toegankelijke schaal."

Ringe en collega's gebruikten een elektronenstraal om zilver van de ene locatie naar de andere te verplaatsen in goud-en-zilveren nanodeeltjes, zoiets als een Etch A Sketch op nanoschaal. Het resultaat is een herconfigureerbare optische schakelaar die de basis kan vormen voor een nieuw type computergeheugen met meerdere statussen, sensor of katalysator.

Met een lengte van ongeveer 200 nanometer, 500 van de metalen staven die van begin tot eind zijn geplaatst, zouden de breedte van een mensenhaar overspannen. Echter, ze zijn groot in vergelijking met moderne geïntegreerde schakelingen. Hun multistate-mogelijkheden maken ze meer als herprogrammeerbare streepjescodes dan eenvoudige geheugenbits, ze zei.

"Niemand is in staat geweest om de vorm van een enkel deeltje omkeerbaar te veranderen met het niveau van controle dat we hebben, dus we zijn hier erg enthousiast over, ' zei Ringe.

Het veranderen van de interne structuur van een nanodeeltje verandert ook de externe plasmonische respons. Plasmonen zijn de elektrische rimpelingen die zich voortplanten over het oppervlak van metalen materialen wanneer ze worden geëxciteerd door licht, en hun oscillaties kunnen gemakkelijk worden afgelezen met een spectrometer - of zelfs het menselijk oog - terwijl ze interageren met zichtbaar licht.

De Rice-onderzoekers ontdekten dat ze nanodeeltjeskernen met uiterste precisie konden herconfigureren. Dat betekent dat herinneringen gemaakt van nanostaafjes niet alleen aan-uit hoeven te zijn, Ringe zei, omdat een deeltje kan worden geprogrammeerd om veel verschillende plasmonische patronen uit te zenden.

De ontdekking kwam tot stand toen Ringe en haar team, die het geavanceerde elektronenmicroscopielab van Rice beheert, werden gevraagd door haar collega en co-auteur Denis Boudreau, een professor aan de Laval University in Quebec, om holle nanostaafjes te karakteriseren die voornamelijk van goud zijn gemaakt maar zilver bevatten.

"De meeste nanoshells zijn lek, ' zei Ringe. 'Ze hebben gaatjes. Maar we realiseerden ons dat deze nanostaafjes geen defecten bevatten en waterzakken bevatten die binnenin vastzaten toen de deeltjes werden gesynthetiseerd. We dachten:hier hebben we wat aan."

Ringe en de hoofdauteur van de studie, Rijstonderzoeker Sadegh Yazdi, beseften al snel hoe ze het water konden manipuleren. "Blijkbaar, het is moeilijk om daar scheikunde te doen, omdat je geen moleculen in een afgesloten nanoschaal kunt stoppen. Maar we kunnen er elektronen in stoppen, " ze zei.

Door een subnanometer-elektronenstraal op de binnenholte te concentreren, werd het water gesplitst en werden gesolvateerde elektronen ingebracht - vrije elektronen die in een oplossing kunnen voorkomen. "De elektronen reageerden direct met zilverionen in het water, ze naar de balk trekken om zilver te vormen, ' zei Ringe. De nu zilverarme vloeistof schoof weg van de straal, en de zilverionen werden aangevuld door een reactie van watersplitsende bijproducten met het vaste zilver in andere delen van de staaf.

"We waren eigenlijk bezig met het verplaatsen van zilver in de oplossing, het opnieuw configureren, "zei ze. "Omdat het een gesloten systeem is, we verloren niets en we wonnen niets. We waren het gewoon aan het verplaatsen, en konden dat zo vaak doen als we wilden."

De onderzoekers waren vervolgens in staat om de door plasmon geïnduceerde eigenschappen van het nabije veld in kaart te brengen zonder de interne structuur te verstoren - en toen beseften ze de implicaties van hun ontdekking.

"We hebben verschillende vormen gemaakt in de nanostaafjes, en omdat we gespecialiseerd zijn in plasmonica, we hebben de plasmonen in kaart gebracht en het bleek een heel mooi effect te hebben, " zei Ringe. "We zagen in feite verschillende elektrische veldverdelingen bij verschillende energieën voor verschillende vormen." Numerieke resultaten van medewerkers Nicolas Large van de Universiteit van Texas in San Antonio en George Schatz van de Northwestern University hielpen bij het verklaren van de oorsprong van de modi en hoe de aanwezigheid van een met water gevulde zak een veelvoud aan plasmonen creëerde, ze zei.

De volgende uitdaging is het testen van nanoschillen van andere vormen en maten, en om te zien of er andere manieren zijn om hun schakelpotentieel te activeren. Ringe vermoedt dat elektronenstralen de beste en misschien enige manier blijven om reacties in deeltjes te katalyseren, en ze is hoopvol.

"Het gebruik van een elektronenstraal is eigenlijk niet zo technologisch irrelevant als je zou denken, " zei ze. "Elektronenstralen zijn heel gemakkelijk te genereren. En ja, dingen moeten in vacuüm zijn, maar anders dan dat, mensen hebben bijna 100 jaar elektronenbundels gegenereerd. Ik weet zeker dat 40 jaar geleden mensen zeiden:'Je gaat een laser in een schijflezer steken? Dat is gek!' Maar het is ze gelukt.

"Ik denk niet dat het onhaalbaar is om elektronenstraaltechnologie te miniaturiseren. Mensen zijn goed in het verplaatsen van elektronen en elektriciteit. Dat hebben we lang geleden ontdekt, ' zei Ringe.

Het onderzoek moet tot de verbeelding spreken van wetenschappers die werken aan het creëren van machines en processen op nanoschaal, ze zei.

"Dit is een herconfigureerbare unit waartoe je toegang hebt met licht, " zei ze. "Iets lezen met licht is veel sneller dan lezen met elektronen, dus ik denk dat dit aandacht gaat krijgen van mensen die nadenken over dynamische systemen en mensen die nadenken over hoe ze verder kunnen gaan dan de huidige nanotechnologie. Dit opent echt een nieuw veld."