Автор AZoNano 23 декабря 2020

Больше не всегда лучше, но вот что-то, что начинается с малого и становится лучше по мере увеличения.

Просто зажгите и посмотрите.

Команда, возглавляемая химиками из Университета Райса Кристи Лэндс и Стефаном Линком, которые оба связаны с Институтом Смолли-Керла, создали гибридные частицы, сочетающие в себе непревзойденные светособирающие свойства плазмонных наночастиц с гибкостью каталитических полимерных покрытий.

Их работа может помочь в разработке давно преследуемых плазмонных приложений в электронике, визуализации, зондировании и медицине.

Плазмоны – это обнаруживаемые волны энергии, возникающие на поверхности некоторых металлов при возбуждении светом или другим источником энергии.

Наноантенны – это микроскопические частицы этих металлов, таких как золото, серебро и алюминий. Поскольку они чувствительны к определенным входным сигналам в зависимости от их размера, формы и типа, их можно настраивать и, следовательно, использовать в качестве сенсоров, агентов для биовизуализации и даже в качестве терапевтических средств.

Целью ведущих авторов Эмили Сирлз, аспиранта-химика, и Шона Коллинза, бывшего научного сотрудника Карла и Лилиан Иллиг в Райсе, было создание гибридных наноантенн с максимальной передачей энергии от их металлических ядер к полимерному покрытию.

Они нашли способ покрыть наночастицы золота на электрохимической подложке светочувствительным полимером на основе никеля.

При включении света энергия плазмонов золота течет в покрытие, в то время как приложенный потенциал в электрохимической ячейке вызывает новую полимеризацию мономеров в растворе, удваивая размер покрытия. Получающийся в результате гибрид подавляет рассеяние света от плазмонов, передавая энергию полимерной оболочке.

«Мы надеемся, что, поскольку мы вложили энергию в полимер, теперь мы можем использовать эту энергию для взаимодействия с другими молекулами на поверхности мягкой границы раздела», – сказал Сирлз. «В этом документе нет никаких реакций, но мы хотим туда пойти».

Исследование опубликовано в журнале Американского химического общества ACS Nano .

Изученные частицы полимера золота имели размер примерно 35 на 85 нанометров до полимеризации и вдвое больше после. На пике своих экспериментов и моделирования они показали 50% -ную эффективность передачи энергии от наночастицы к покрытию, что на 20% лучше, чем в предыдущем тесте.

Эксперименты включали нанесение отдельных покрытых частиц на электрод из оксида индия и олова под гиперспектральным микроскопом для получения изображений в темном поле для регистрации их спектров рассеяния.

Исследователям были известны два возможных пути передачи световой энергии между металлами и полимерным покрытием: заряд и резонансная передача энергии.

« Эти новые гибриды, использующие пути передачи энергии, могут решить две текущие проблемы с помощью плазмонного фотокатализа», – сказал Линк . «Во-первых, эффективность часто бывает низкой, потому что перенос заряда происходит медленно по сравнению с другими конкурирующими процессами.

«Во-вторых, перенос заряда обычно требует жертвенной противодействия, иначе катализатор со временем отравится», он сказал. « Эти гибриды, основанные на переносе энергии, устраняют необходимость в жертвенной реакции, поскольку перенос электронов и дырок происходит одновременно».

Первой задачей было выяснить, какой полимер лучше всего подходит для передачи энергии отсюда сюда.

«Наноантенны и полимер выглядят очень похоже, если просто измерить спектр света, который они поглощают», сказал Коллинз, ныне инженер-технолог по литографии в Intel.

" Однако на самом деле они поглощают свет совершенно по-разному, и фокус в том, чтобы заставить эти два механизма работать вместе. Наноантенна бросает огромную сеть для притягивания световой энергии и разделяет большую часть улова между ними. голодный полимер, дающий полимеру гораздо больше энергии, чем он мог бы собрать в одиночку »

Команда определила диполь плазмонного резонанса в золоте и электрические дипольные переходы в полимере никеля, выровненные при включении света, обеспечивая путь для переноса заряда из полимера.

« Через некоторое время энергия в полимере рассеивается, но, похоже, она не возвращается к золоту», – сказал Сирлз.

Полимерное покрытие действительно достигает точки убывающей отдачи, сказала она. « Мы обнаружили, что есть какое-то счастливое место, где вы больше не увидите передачи энергии, », – сказал Сирлз. «Полимер, который вы добавляете, находится слишком далеко от наночастицы».

Все переменные между световым потоком, конфигурацией наночастиц и полимером будут держать Сирлз в течение многих лет, пока она исследует практические приложения.

«Цель состоит в том, чтобы иметь возможность создать библиотеку этих систем», она сказала. «В зависимости от приложения мы хотим сместить спектр, чтобы добиться максимальной энергоэффективности. Конечно, нужно настроить множество разных вещей»

Ландес подчеркнул важность совместной команды, а также способность объединить в проекте новые инструменты визуализации и спектроскопии.

«Если мы надеемся использовать потенциал новых наноматериалов в будущих приложениях, важно понять, как такие фундаментальные процессы, как передача энергии, влияют на свойства их материалов в нано- и макромасштабе», она сказала . «Такие усилия больше, чем могут быть выполнены с помощью одного метода или одной лаборатории».

Соавторами статьи являются научный сотрудник Лоуренс Таузин, аспиранты Минхан Лу, Шарлотта Флатебо и Рашад Байяси, постдокторант Лука Бурси, выпускник Йи-Ю Цай и Питер Нордландер, заведующий кафедрой физики и астрономии Висс. профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии, Райс; аспиранты Явэй Лю, Цзя Сун и Тяньцюань Лянь, профессор химии, все из Университета Эмори; и выпускник Риса Бенджамин Ферстер из BASF, Людвигсхафен-на-Рейне, Германия

Ландес – профессор химии, электротехники и вычислительной техники, а также химической и биомолекулярной инженерии. Линк – профессор химии, электротехники и вычислительной техники.

Исследование было поддержано Программой конденсированной фазы и межфазной молекулярной массы при Управлении науки, фундаментальные энергетические науки Министерства энергетики; Фонд Роберта А. Велча; и стипендия для аспирантов по науке и технике национальной обороны

Источник: https://www.rice.edu/