Metallnanopartiklar kan spela en nyckelroll i nästa generations ljusdetektorer, optiska kretsar, och cancerterapier. För att dessa framtida teknologier ska förverkligas, det är viktigt att förstå vad som händer när nanopartiklar får genomgå vibrationer, och den efterföljande spridningen av ljus som kan uppstå på grund av svängningar, eller ytplasmoner, i deras fria elektronmoln. Dock, lite är känt om exakt hur dessa vibrationer påverkas av nanopartikelns omedelbara omgivning - i synnerhet, hur miljön påverkar energiförlusten från en nanopartikel när den vibrerar.

Sudhiranjan Tripathy vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och medarbetare, samarbetar med Arnaud Arbouet och kollegor från National Centre of Scientific Research (CNRS) i Frankrike, har nu analyserat effekten av olika miljöer på enskilda guldnanopartiklar, deras akustiska vibrationer och tillhörande energiavledning.

Forskarna undersökte individuella nanorer gjorda av guld med hjälp av transient absorptionsspektroskopi, vilket innebär att man exciterar provet med en puls av laserljus innan man mäter absorbansen av ljus vid olika våglängder. De mätte både vibrationsperioden och dämpningstiden - den hastighet med vilken nanoring förlorar sin energi till omgivningen.

"När ett metalliskt system minskas till nanometriska dimensioner, dess vibrationslägen kan bli mycket annorlunda jämfört med dess bulkform, ” förklarar Tripathy. "T.ex. dämpningen av de akustiska vibrationerna påverkas starkt av miljöns elastiska egenskaper och gränssnittet mellan nanopartikeln och dess miljö.”

Tidigare spektroskopistudier har experimenterat med stora grupper av nanopartiklar, men det kollektiva förhållningssättet har sina begränsningar eftersom nanopartiklar av olika storlekar kan ha olika vibrationsperioder. Forskarna övervann problemet genom att arbeta med individuella nanoreringar, men lösningen hade sina egna svårigheter.

Den första utmaningen var nanotillverkning av perfekt kontrollerade och karakteriserade nanoobjekt. För det andra, det var frågan om att detektera och övervaka de akustiska vibrationerna hos ett enda nanoobjekt av metall. Det innebar att forskarna var tvungna att mäta relativa förändringar i storleksordningen en på 10 miljoner.

Forskarna studerade individuella nanorer som var omgivna av antingen luft eller glycerol, och fokuserade på hur de olika miljöerna påverkade vibrationernas dämpningstid. Detta gav värdefull insikt i hur energi försvann från nanoringarna till deras miljö. Mest talande, dämpningstiderna var betydligt kortare i den högviskösa glycerolen.

"Vårt arbete öppnar upp spännande perspektiv inklusive användningen av metallnanopartiklar som masssensorer, eller som sönder i nanostorlek för de elastiska egenskaperna i deras lokala miljöer, säger Tripathy.