Onderzoekers hebben aangetoond dat het uitrekken van vormgeheugenpolymeren ingebed met clusters van gouden nanodeeltjes hun plasmonkoppeling verandert, die aanleiding geven tot gewenste optische eigenschappen. Een mogelijke toepassing voor het materiaal is een sensor die vertrouwt op optische eigenschappen om de thermische geschiedenis van een object of omgeving te volgen.

Het gaat om een ​​rekbaar polymeer ingebed met gouden nanobolletjes. Als het materiaal wordt verwarmd en uitgerekt, gevolgd door afkoelen tot kamertemperatuur, het materiaal behoudt zijn uitgerekte vorm voor onbepaalde tijd. Eenmaal opgewarmd tot 120 graden Celsius, het materiaal keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

Maar wat echt interessant is, is dat de gouden nanobolletjes niet perfect gedispergeerd zijn in het polymeer. In plaats daarvan, ze vormen clusters, waarin hun oppervlakteplasmonresonanties zijn gekoppeld. Deze plasmon-gekoppelde nanodeeltjes hebben optische eigenschappen die veranderen afhankelijk van hoe dicht ze bij elkaar zijn, die verandert bij het uitrekken verandert de vorm van de composiet.

"Bij het beoordelen van de piekgolflengte van licht dat door het materiaal wordt geabsorbeerd, er zijn significante verschillen afhankelijk van of het licht evenwijdig of loodrecht op de rekrichting is gepolariseerd, " zegt Joe Tracy, corresponderende auteur van een paper over het werk en een professor in materiaalkunde en techniek bij NC State. "Voor licht dat evenwijdig is gepolariseerd aan de rekrichting, hoe verder je het materiaal hebt uitgerekt, hoe verder het geabsorbeerde licht naar rood verschuift. Voor licht gepolariseerd loodrecht op de rekrichting is er een blauwverschuiving."

“Dat vonden we ook, terwijl het vormgeheugenpolymeer zijn vorm behoudt bij kamertemperatuur, het herstelt zijn oorspronkelijke vorm op een voorspelbare manier, afhankelijk van de temperatuur waaraan het wordt blootgesteld, " zegt Tobias Kraus, co-auteur van het artikel, een groepsleider aan het Leibniz Institute for New Materials en een professor aan de Saarland University.

specifiek, eenmaal uitgerekt 140% voorbij zijn oorspronkelijke lengte, je kunt de hoogste temperatuur bepalen waaraan het polymeer dan wordt blootgesteld, tot 120 graden Celsius, door te meten hoeveel het is gekrompen naar zijn oorspronkelijke grootte. Bovendien, vanwege de plasmon-gekoppelde nanodeeltjes, deze verandering kan indirect worden gemeten, door metingen van de optische eigenschappen van het materiaal.

"Vanuit praktisch oogpunt hiermee kunt u een optische warmte-historische sensor maken, " zegt Joe Tracy. "Je kunt licht gebruiken om te zien hoe heet het materiaal werd. Een belangrijke toepassing van warmte-historische sensoren is het waarborgen van de kwaliteit of veiligheid van transport- of opslagmaterialen die gevoelig zijn voor significante veranderingen in warmte. We hebben een aanpak gedemonstreerd op basis van plasmonkoppeling van gouden nanodeeltjes."

Het sensorconcept is empirisch ontwikkeld, maar de onderzoekers gebruikten ook computationele modellering om de structuur van de clusters van gouden nanosferen beter te begrijpen en hoe de clusters veranderden tijdens het uitrekken. De sterkte van plasmonkoppeling is gerelateerd aan de afstanden tussen nanosferen, die bekend staat als een 'plasmonliniaal'.

"Op basis van onze simulaties, we kunnen de afstand tussen plasmon-gekoppelde nanodeeltjes schatten op basis van hun optische eigenschappen, " zegt Amy Oldenburg, co-auteur van het artikel en een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill. "Deze vergelijking is informatief voor het ontwerpen van toekomstige polymere nanocomposieten op basis van plasmon-gekoppelde nanodeeltjes."