(Phys.org)—Plasmoniska guld nanopartiklar gör exakt uppvärmning på begäran möjlig. Nu har forskare från Rice University hittat ett sätt att selektivt värma olika nanopartiklar som kan främja deras användning inom medicin och industri.

Risforskare ledda av Dmitri Lapotko och Ekaterina Lukianova-Hleb visade vanliga guldnanopartiklar, känd sedan 1800-talet som guldkolloider, värms upp vid nära-infraröda våglängder så smala som några nanometer när de träffas av mycket korta pulser av laserljus. Den överraskande effekten som rapporterades i Avancerade material verkar vara relaterat till icke-stationär optisk excitation av plasmoniska nanopartiklar. Plasmoner är fria elektroner på ytan av metaller som exciteras av tillförsel av energi, vanligtvis från ljus. Rörliga plasmoner kan omvandla optisk energi till värme.

"Nyckelidén med guldnanopartiklar och plasmonik i allmänhet är att omvandla energi, " Sa Lapotko. "Det finns två aspekter av detta:Den ena är hur effektivt du kan omvandla energi, och här är guldnanopartiklar världsmästare. Deras optiska absorbans är ungefär en miljon gånger högre än alla andra molekyler i naturen.

"Den andra aspekten är hur exakt man kan använda laserstrålning för att få denna fototermiska omvandling att hända, " sa han. Partiklar reagerar traditionellt på breda spektra av ljus, och inte mycket av det finns i det värdefulla nära-infraröda området. Nära-infrarött ljus är osynligt för vatten och, mer kritiskt för biologiska tillämpningar, till vävnad.

"Det här var problemet, " Sa Lapotko. "Alla nanopartiklar, börjar med solida guldkolloider och går över till mer sofistikerade, konstruerade guld nanoskal, nanorods, burar och stjärnor, har mycket brett spektrum, typiskt cirka 100 nanometer, vilket betyder att vi bara fick använda en typ av nanopartikel åt gången. Om vi ​​försökte använda olika typer, deras spektra överlappade varandra och vi gynnades inte av lasrarnas höga avstämbarhet."

Upptäckten gör det möjligt för kontrollerade laserpulser att justera absorbansspektrumet för vanliga guldkolloider, sa Lapotko. "Detta nya tillvägagångssätt strider mot det etablerade paradigmet som antar att optiska egenskaper hos nanopartiklar är förinställda under deras tillverkning och förblir konstanta under deras optiska excitation, " han sa.

Rice-labbet visade att grundläggande kolloidala guldnanopartiklar effektivt kunde aktiveras av en kort laserpuls på 780 nanometer, med en 88-faldig förstärkning av den fototermiska effekten sett med en kontinuerlig laser. Forskarna upprepade sitt experiment med nanopartikelkluster i vatten, i levande cancerceller och hos djur, med samma eller bättre resultat:de visade spektrala toppar två nanometer breda. Sådana smala fototermiska spektra hade aldrig setts för metallnanopartiklar, antingen ensamt eller i kluster.

Effekten verkar bero på ångnanobubblor som bildas när partiklarna värmer vätska i sin omedelbara miljö. Nanobubblorna växer och spricker på ett ögonblick. "Istället för att använda nanopartikeln som en kylfläns med en kontinuerlig, stationär laser, vi skapar en övergående, icke-stationär situation där partikeln interagerar med den infallande lasern på ett helt annat sätt, " sa Lapotko. Han sa att effekten är repeterbar och fungerar med laserpulser kortare än 100 pikosekunder.

Ännu bättre, ett experiment med blandade nanorods och nanoskal visade att de svarade på laserpulser med starka, distinkta signaler vid våglängder 10 nanometer från varandra. Det betyder att två eller flera typer av nanopartiklar på samma plats kan aktiveras selektivt på begäran.

"Nanopartiklarna vi använde var inget fancy; de användes på 1800-talet av Michael Faraday, och man trodde att de inte kunde göra något i det nära-infraröda, " sa han. "Det var den stora motivationen för människor att uppfinna nanorods, nanoskal och de andra formerna. Här, vi bevisar att dessa billiga partiklar kan bete sig ganska bra i nära-infrarött." Han sa att upptäckten öppnar möjligheten att många metallnanopartiklar kan användas i biomedicinska och industriella tillämpningar där spektral selektivitet och inställning skulle ge "oöverträffad" precision.

"Detta är fortfarande mer ett fenomen snarare än en fast etablerad mekanism, med en bra teoretisk grund, " sa Lapotko. "Men när det är helt klarlagt, det kan bli ett universellt verktyg."