Groter is niet altijd beter, maar hier is iets dat klein begint en beter wordt naarmate het groter wordt.

Steek het gewoon aan en kijk.

Een team onder leiding van de chemici van Rice University, Christy Landes en Stephan Link, beide verbonden aan het Smalley-Curl Institute, hebben hybride deeltjes gemaakt die de onverslaanbare licht-oogst-eigenschappen van plasmonische nanodeeltjes combineren met de flexibiliteit van katalytische polymeercoatings. Hun werk zou kunnen helpen bij het aandrijven van lang nagestreefde plasmonische toepassingen in elektronica, in beeld brengen, gevoel en geneeskunde.

Plasmonen zijn de detecteerbare rimpelingen van energie die op het oppervlak van sommige metalen worden gecreëerd wanneer ze worden geëxciteerd door licht of andere input. Nanoantennes zijn microscopisch kleine stukjes van deze metalen, zoals goud, zilver en aluminium. Omdat ze gevoelig zijn voor specifieke invoer, afhankelijk van hun grootte, vorm en type, ze zijn afstembaar en daarom bruikbaar als sensoren, bio-imaging agenten en zelfs als therapieën.

Het doel van hoofdauteurs Emily Searles, een afgestudeerde scheikundestudent, en Sean Collins, een voormalig Carl en Lillian Illig Postdoctoral Fellow bij Rice, was om hybride nanoantennes te creëren met maximale energieoverdracht van hun metalen kernen naar een polymeercoating.

Ze vonden een manier om gouden nanodeeltjes op een elektrochemische drager te coaten met een lichtgevoelig, polymeer op nikkelbasis. Wanneer geactiveerd door licht, energie van de plasmonen van het goud stroomt in de coating, terwijl de toegepaste potentiaal in de elektrochemische cel nieuwe polymerisatie van monomeren in oplossing induceert, verdubbeling van de coatinggrootte. De resulterende hybride dempt de lichtverstrooiing van de plasmonen door energie over te brengen naar de polymeerschil.

"De hoop is dat, omdat we de energie in het polymeer hebben gestopt, we kunnen die energie nu gebruiken om te reageren met andere moleculen op het oppervlak van de zachte interface, Searles zei. "Er zijn geen reacties opgenomen in dit artikel, maar daar willen we heen."

De studie verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

De bestudeerde goud-polymeerdeeltjes waren vóór de polymerisatie ongeveer 35 bij 85 nanometer groot en daarna twee keer zo groot. Op hun hoogtepunt in experimenten en simulaties, ze leverden 50% efficiëntie bij het overbrengen van energie van het nanodeeltje naar de coating, 20% beter dan de vorige benchmark.

Experimenten omvatten het plaatsen van individuele gecoate deeltjes op een indiumtinoxide-elektrode onder een hyperspectrale donkerveldbeeldvormingsmicroscoop om hun verstrooiingsspectra vast te leggen.

De onderzoekers kenden twee mogelijke wegen voor de overdracht van de lichtenergie tussen metalen en de polymeercoating:overdracht van lading en resonantie-energie.

"Deze nieuwe hybriden, het benutten van paden voor energieoverdracht, twee huidige uitdagingen zou kunnen oplossen met plasmonische fotokatalyse, ' zei Link. 'Eerst, efficiënties zijn vaak laag omdat ladingsoverdracht traag is in vergelijking met andere concurrerende processen.

"Tweede, ladingsoverdracht vereist meestal een opofferende tegenreactie of de katalysator wordt na verloop van tijd vergiftigd, " zei hij. "Deze op energieoverdracht gebaseerde hybriden elimineren de behoefte aan een opofferingsreactie omdat zowel elektronen- als gatoverdracht gelijktijdig plaatsvinden."

De eerste uitdaging was uitzoeken welk polymeer het beste was om energie van hier naar daar te krijgen.

"De nanoantennes en het polymeer lijken erg op elkaar als je eenvoudig het lichtspectrum meet dat ze absorberen, " zei Collins, nu een lithografieprocesingenieur bij Intel.

"Echter, ze absorberen het licht eigenlijk op totaal verschillende manieren en de kunst is om die twee mechanismen samen te laten werken. De nanoantenne werpt een enorm net uit om lichtenergie naar binnen te trekken en deelt het grootste deel van de vangst met het hongerige polymeer, waardoor het polymeer veel meer energie krijgt dan het ooit alleen zou kunnen oogsten."

Het team bepaalde de plasmonische resonantie-dipool in het goud en de elektrische dipoolovergangen in het nikkelpolymeer uitgelijnd wanneer ze worden geactiveerd met licht, het verschaffen van een pad voor ladingsdragers om uit het polymeer te migreren.

"De energie in het polymeer verdwijnt na een tijdje, maar het lijkt niet terug te keren naar het goud, ' zei Sears.

De polymeercoating bereikt een punt van afnemend rendement, ze zei. "We ontdekten dat er een soort gelukkige plek is waar je geen energieoverdracht meer zult zien, "Zei Searles. "Het polymeer dat je toevoegt is te ver weg van het nanodeeltje."

Alle variabelen tussen lichtinval, nanodeeltjesconfiguratie en polymeer zullen Searles jarenlang bezig houden terwijl ze praktische toepassingen onderzoekt.

"Het doel is om een ​​bibliotheek van deze systemen te kunnen creëren, "zei ze. "Afhankelijk van de toepassing, we willen het spectrum verschuiven om de hoogste energie-efficiëntie te hebben. Er zijn veel verschillende dingen om af te stemmen, zeker."

Landes benadrukte het belang van een samenwerkend team en de mogelijkheid om nieuwe beeldvormings- en spectroscopiehulpmiddelen te combineren met het project.

"Als we hopen het potentieel van nieuwe nanomaterialen te benutten in toekomstige toepassingen, het is van cruciaal belang om te begrijpen hoe fundamentele processen zoals energieoverdracht hun materiaaleigenschappen op nano- en macroschaal aansturen, "zei ze. "Zulke inspanningen zijn groter dan kan worden bereikt door een enkele methode of een enkel laboratorium."