Op menselijke schaal, het regelen van de temperatuur is een eenvoudig concept. Schildpadden zonnen zichzelf om warm te blijven. Om een ​​taart vers uit de oven af ​​te koelen, plaats het op een aanrecht op kamertemperatuur.

Op nanoschaal - op afstanden van minder dan 1/100ste van de breedte van het dunste mensenhaar - is het regelen van de temperatuur veel moeilijker. Afstanden op nanoschaal zijn zo klein dat objecten gemakkelijk thermisch worden gekoppeld:als een object opwarmt tot een bepaalde temperatuur, zijn buurman ook.

Als wetenschappers een lichtstraal als warmtebron gebruiken, er is een extra uitdaging:dankzij warmtediffusie, materialen in het stralingspad warmen op tot ongeveer dezelfde temperatuur, waardoor het moeilijk is om de thermische profielen van objecten binnen de straal te manipuleren. Wetenschappers zijn er nooit in geslaagd om alleen licht te gebruiken om thermische landschappen actief vorm te geven en te beheersen op nanoschaal.

Minstens, tot nu toe niet.

In een paper dat op 30 juli online is gepubliceerd door het tijdschrift ACS Nano , een team van onderzoekers meldt dat ze een experimenteel systeem hebben ontworpen en getest dat een nabij-infraroodlaser gebruikt om twee gouden nanostaafantennes - metalen staven ontworpen en gebouwd op nanoschaal - actief te verwarmen tot verschillende temperaturen. De nanostaafjes liggen zo dicht bij elkaar dat ze zowel elektromagnetisch als thermisch gekoppeld zijn. Toch is de ploeg onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Washington, Rijst Universiteit en Tempel Universiteit, gemeten temperatuurverschillen tussen de staven tot wel 20 graden Celsius. Door simpelweg de golflengte van de laser te veranderen, ze konden ook veranderen welke nanostaaf koeler was en welke warmer, ook al waren de staven van hetzelfde materiaal gemaakt.

"Als je twee vergelijkbare objecten naast elkaar op een tafel legt, normaal gesproken zou je verwachten dat ze dezelfde temperatuur hebben. Hetzelfde geldt op nanoschaal, " zei hoofdcorresponderende auteur David Masiello, een UW-hoogleraar chemie en faculteitslid in zowel het Molecular &Engineering Sciences Institute als het Institute for Nano-Engineered Systems. "Hier, we kunnen twee gekoppelde objecten van dezelfde materiaalsamenstelling blootstellen aan dezelfde straal, en een van die objecten zal warmer zijn dan de andere."

Het team van Masiello voerde de theoretische modellering uit om dit systeem te ontwerpen. Hij werkte samen met co-corresponderende auteurs Stephan Link, een professor in zowel scheikunde als elektrische en computertechniek aan de Rice University, en Katherine Willets, een universitair hoofddocent scheikunde aan de Temple University, te bouwen en te testen.

Hun systeem bestond uit twee nanostaafjes van goud:de ene was 150 nanometer lang en de andere 250 nanometer lang. of ongeveer 100 keer dunner dan het dunste mensenhaar. De onderzoekers plaatsten de nanostaafjes dicht bij elkaar, end-to-end op een glasplaatje omgeven door glycerol.

Ze kozen voor goud om een ​​specifieke reden. Als reactie op energiebronnen zoals een nabij-infraroodlaser, elektronen in goud kunnen gemakkelijk "oscilleren". Deze elektronische trillingen, of oppervlakteplasmonresonanties, licht efficiënt omzetten in warmte. Hoewel beide nanostaafjes van goud waren, hun verschillende grootte-afhankelijke plasmonische polarisaties betekenden dat ze verschillende patronen van elektronenoscillaties hadden. Masiello's team berekende dat, als de nanorod-plasmonen oscilleerden met dezelfde of tegengestelde fasen, ze kunnen verschillende temperaturen bereiken, waardoor de effecten van thermische diffusie worden tegengegaan.

De groepen van Link's en Willets ontwierpen het experimentele systeem en testten het door met een nabij-infrarode laser op de nanostaafjes te schijnen. Ze bestudeerden het effect van de bundel bij twee golflengten:één voor het oscilleren van de nanostaafjesplasmonen met dezelfde fase, een andere voor de tegenovergestelde fase.

Het team kon de temperatuur van elke nanostaaf niet direct op nanoschaal meten. In plaats daarvan, ze verzamelden gegevens over hoe de verwarmde nanostaafjes en de omringende glycerol fotonen verstrooiden vanuit een afzonderlijke straal groen licht. Het team van Masiello analyseerde die gegevens en ontdekte dat de nanostaafjes de fotonen van de groene straal anders breken vanwege temperatuurverschillen op nanoschaal tussen de nanostaafjes.

"Deze indirecte meting gaf aan dat de nanostaafjes waren verwarmd tot verschillende temperaturen, ook al waren ze blootgesteld aan dezelfde nabij-infraroodstraal en waren ze dichtbij genoeg om thermisch te worden gekoppeld, " zei mede-hoofdauteur Claire West, een UW-promovendus bij de afdeling Scheikunde.

Het team vond ook dat door de golflengte van nabij-infrarood licht te veranderen, ze zouden kunnen veranderen welke nanostaaf - kort of lang - meer opwarmde. De laser zou in wezen kunnen fungeren als een afstembare "schakelaar, " de golflengte veranderen om te veranderen welke nanostaaf heter was. De temperatuurverschillen tussen de nanostaafjes varieerden ook op basis van hun afstand van elkaar, maar bereikte wel 20 graden Celsius boven kamertemperatuur.

De bevindingen van het team hebben een scala aan toepassingen op basis van het regelen van de temperatuur op nanoschaal. Bijvoorbeeld, wetenschappers kunnen materialen ontwerpen die fotothermische chemische reacties beheersen met precisie op nanoschaal, of door temperatuur geactiveerde microfluïdische kanalen voor het filteren van kleine biologische moleculen.

De onderzoekers werken aan het ontwerpen en testen van complexere systemen, zoals clusters en arrays van nanostaafjes. Deze vereisen meer ingewikkelde modellering en berekeningen. Maar gezien de vooruitgang tot nu toe, Masiello is optimistisch dat deze unieke samenwerking tussen theoretische en experimentele onderzoeksgroepen vooruitgang zal blijven boeken.

"Het was een teamprestatie, en de resultaten waren jaren in de maak, maar het werkte, ' zei Masiello.