Jag tar upp en halvsekel gammal fråga, ingenjörer vid Stanford har definitivt bestämt hur kollektiva elektronsvängningar, kallas plasmoner, beter sig i enskilda metallpartiklar så små som bara några nanometer i diameter. Denna kunskap kan öppna upp nya vägar inom nanoteknik, allt från solkatalys till biomedicinsk behandling.

Det fysiska fenomenet med plasmonresonanser i små metallpartiklar har använts i århundraden. De är synliga i de livfulla nyanserna av världens stora målade glasfönster. På senare tid, plasmonresonanser har använts av ingenjörer för att utveckla nya, ljusaktiverade cancerbehandlingar och för att förbättra ljusabsorptionen i solceller och fotokatalys.

"Fönstren av målat glas i Notre Dame-katedralen och Stanford Chapel får sin färg från metallnanopartiklar som är inbäddade i glaset. När fönstren är upplysta, nanopartiklarna sprider specifika färger beroende på partikelns storlek och geometri", sa Jennifer Dionne, en biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Stanford och senior författare till en ny artikel om plasmonresonanser som ska publiceras i tidskriften Natur . I studien, teamet av ingenjörer rapporterar direkt observation av plasmonresonanser hos enskilda metallpartiklar som mäter ner till en nanometer i diameter - bara några få atomer i diameter.

"För partiklar mindre än cirka tio nanometer i diameter, plasmonresonanser är dåligt förstådda, sa Jonathan Scholl, doktorand i Dionnes labb och första författare till uppsatsen. "Denna klass av kvantstora metallnanopartiklar har till stor del varit underutnyttjade. Att utforska deras storleksberoende natur kan öppna upp för några intressanta tillämpningar på nanoskala."

Långvarig debatt

Vetenskapen om små metallpartiklar har förbryllat fysiker och ingenjörer i årtionden. Under en viss tröskel, eftersom metalliska partiklar nära kvantskalan — cirka 10 nanometer i diameter — bryts den klassiska fysiken samman. Partiklarna börjar visa unika fysikaliska och kemiska egenskaper som bulkmotsvarigheter av samma material inte har. En nanopartikel av silver som mäter några atomer tvärs över, till exempel, kommer att reagera på fotoner och elektroner på sätt som skiljer sig mycket från en större partikel eller silverskiva.

Genom att tydligt illustrera detaljerna i denna klassiska-till-kvantomvandling, Scholl och Dionne har drivit plasmonikområdet in i en ny värld som kan få bestående konsekvenser för katalytiska processer som artificiell fotosyntes, cancerforskning och behandling, och kvantberäkning.

"Partiklar i denna skala är känsligare och mer reaktiva än bulkmaterial, ", sa Dionne. "Men vi har inte kunnat dra full nytta av deras optiska och elektroniska egenskaper utan en fullständig bild av vetenskapen. Detta dokument ger grunden för nya vägar för nanoteknik som går in i 100-till-10, 000 atoms regim."

Ädelmetaller

På senare år har ingenjörer har ägnat särskild uppmärksamhet åt nanopartiklar av ädelmetaller:silver, guld, palladium, platina och så vidare. Dessa metaller är välkända för att stödja lokaliserade ytplasmonresonanser, de kollektiva oscillationerna av elektroner vid metallytan som svar på ljus eller ett elektriskt fält.

Andra viktiga fysikaliska egenskaper kan drivas ytterligare när plasmoner är begränsade i extremt små utrymmen, som nanopartiklarna Dionne och Scholl studerade. Fenomenet är känt som quantum confinement.

Beroende på partikelns form och storlek, kvantinneslutning kan dominera en partikels elektroniska och optiska respons. Denna forskning tillåter forskare, för första gången, att direkt korrelera en kvantstor plasmonisk partikels geometri – dess form och storlek – med dess plasmonresonanser.

Stå till nytta

Nanoteknik kommer att dra nytta av denna nya förståelse. "Vi kan upptäcka nya elektroniska eller fotoniska enheter baserade på excitation och detektion av plasmoner i kvantstora partiklar. Alternativt, det kan finnas möjligheter inom katalys, kvantoptik, och bioavbildning och terapi, sa Dionne.

Medicinsk vetenskap, till exempel, har utarbetat ett sätt att använda nanopartiklar som exciteras av ljus för att bränna bort cancerceller, en process som kallas fototermisk ablation. Metallnanopartiklar är fästa med molekylära bihang som kallas ligander som enbart fäster vid kemiska receptorer på cancerceller. När den bestrålas med infrarött ljus, metallnanopartiklarna värms upp, bränna bort cancercellerna samtidigt som den omgivande friska vävnaden lämnas opåverkad. Egenskaperna hos mindre nanopartiklar kan förbättra noggrannheten och effektiviteten hos sådana tekniker, särskilt eftersom de lättare kan integreras i celler.

Det är mycket lovande för så små nanopartiklar i katalys, också. De större förhållanden mellan ytarea och volym som erbjuds av nanopartiklar i atomär skala kan förbättra vattenuppdelning och artificiell fotosyntes, ger rena och förnybara energikällor från konstgjorda bränslen. Att dra fördel av kvantplasmoner i dessa metalliska nanopartiklar kan avsevärt förbättra katalytiska hastigheter och effektivitet.

Medhjälp

Forskarnas förmåga att observera plasmoner i partiklar av så liten storlek förstärktes av de kraftfulla, multi-miljoner dollar miljöskanningstransmissionselektronmikroskop (E-STEM) installerat nyligen vid Stanfords Center for Nanoscale Science and Engineering, ett av bara en handfull sådana mikroskop i världen.

E-STEM-avbildning användes i samband med elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) - en forskningsteknik som mäter förändringen av en elektrons energi när den passerar genom ett material - för att bestämma formen och beteendet hos enskilda nanopartiklar. Kombinerad, STEM och EELS gjorde det möjligt för teamet att ta itu med många av oklarheterna i tidigare undersökningar.

"Med det nya mikroskopet, vi kan lösa upp enskilda atomer inom nanopartikeln, sa Dionne, "och vi kan direkt observera dessa partiklars kvantplasmonresonanser."

Ai Leen Koh, en forskare vid Stanford Nanocharacterization Laboratory, och medförfattare till tidningen, noterade:"Även om plasmoner kan sonderas med både ljus och elektroner, elektronexcitation är fördelaktig eftersom den tillåter oss att avbilda nanopartikeln ner till atomnivå och samtidigt studera dess plasmonresonanser."

Scholl tillade, "Någon dag, vi kan använda tekniken för att se reaktioner som pågår för att bättre förstå och optimera dem."

Elegant och mångsidig

Forskarna avslutade med att förklara fysiken bakom deras upptäckt genom en elegant och mångsidig analytisk modell baserad på välkända kvantmekaniska principer.

"Tekniskt talat, vi har skapat en relativt enkel, beräkningsmässigt lätt modell som beskriver plasmoniska system där klassiska teorier har misslyckats, sa Scholl.

Deras eleganta och mångsidiga modell öppnar upp för många möjligheter till vetenskaplig vinst.

"Detta dokument representerar grundläggande forskning. Vi har klargjort vad som var en tvetydig vetenskaplig förståelse och, för första gången, direkt korrelerade en partikels geometri med dess plasmoniska resonans för kvantstora partiklar, " sammanfattade Dionne. "Och det här kan ha några mycket intressanta, och mycket lovande, konsekvenser och tillämpningar."