Forskare från Rice University har upptäckt hur man subtilt ändrar den inre strukturen hos halv-ihåliga nanorods på ett sätt som förändrar hur de interagerar med ljus, och eftersom förändringarna är reversibla, metoden skulle kunna utgöra grunden för en nanoskala switch med enorm potential.

"Det är inte 0-1, det är 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10, " sa rismaterialforskaren Emilie Ringe, ledande forskare i projektet, som beskrivs i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver . "Du kan skilja mellan flera plasmoniska tillstånd i en enda partikel. Det ger dig en sorts analog version av kvanttillstånd, men på en större, mer tillgänglig skala."

Ringe och kollegor använde en elektronstråle för att flytta silver från en plats till en annan inuti guld-och-silver nanopartiklar, något som en nanoskala Etch A Sketch. Resultatet är en omkonfigurerbar optisk switch som kan ligga till grund för en ny typ av datorminne med flera tillstånd, sensor eller katalysator.

Med en längd på cirka 200 nanometer, 500 av metallstavarna placerade ände mot ände skulle sträcka sig över bredden av ett människohår. Dock, de är stora i jämförelse med moderna integrerade kretsar. Deras multistate-kapacitet gör dem mer som omprogrammerbara streckkoder än enkla minnesbitar, Hon sa.

"Ingen har kunnat reversibelt ändra formen på en enda partikel med den kontrollnivå vi har, så vi är verkligen exalterade över detta, sa Ringe.

Att förändra en nanopartikels inre struktur förändrar också dess externa plasmoniska respons. Plasmoner är de elektriska krusningarna som fortplantar sig över ytan av metalliska material när de exciteras av ljus, och deras svängningar kan lätt avläsas med en spektrometer – eller till och med det mänskliga ögat – när de interagerar med synligt ljus.

Rice-forskarna fann att de kunde omkonfigurera nanopartikelkärnor med precision. Det betyder att minnen gjorda av nanorods inte bara behöver vara på och av, Ringe sa, eftersom en partikel kan programmeras att avge många distinkta plasmoniska mönster.

Upptäckten kom när Ringe och hennes team, som leder Rices avancerade elektronmikroskopilabb, tillfrågades av hennes kollega och medförfattare Denis Boudreau, en professor vid Laval University i Quebec, att karakterisera ihåliga nanorods gjorda i första hand av guld men innehållande silver.

"De flesta nanoskal är läckande, ", sa Ringe. "De har nålhål. Men vi insåg att dessa nanorods var defektfria och innehöll fickor med vatten som var fångade inuti när partiklarna syntetiserades. Vi tänkte:Vi har något här."

Ringe och studiens huvudförfattare, Risforskaren Sadegh Yazdi, insåg snabbt hur de kunde manipulera vattnet. "Självklart, det är svårt att göra kemi där, eftersom du inte kan lägga molekyler i ett förseglat nanoskal. Men vi kan stoppa in elektroner, " Hon sa.

Genom att fokusera en subnanometer elektronstråle på den inre håligheten delade vattnet och infogade solvatiserade elektroner – fria elektroner som kan finnas i en lösning. "Elektronerna reagerade direkt med silverjoner i vattnet, dra dem till balken för att bilda silver, sa Ringe. Den nu silverfattiga vätskan rörde sig bort från strålen, och dess silverjoner fylldes på genom en reaktion av vattenklyvande biprodukter med det fasta silvret i andra delar av staven.

"Vi flyttade faktiskt silver i lösningen, konfigurerar om det, " sa hon. "Eftersom det är ett slutet system, vi förlorade ingenting och vi fick ingenting. Vi flyttade bara runt den, och kunde göra det så många gånger som vi ville."

Forskarna kunde sedan kartlägga de plasmoninducerade närfältsegenskaperna utan att störa den inre strukturen - och det var då de insåg implikationerna av deras upptäckt.

"Vi gjorde olika former inuti nanoroderna, och eftersom vi är specialiserade på plasmonik, vi kartlade plasmonerna och det visade sig ha en mycket fin effekt, ", sa Ringe. "Vi såg i princip olika elektriska fältfördelningar vid olika energier för olika former." Numeriska resultat från samarbetspartnerna Nicolas Large från University of Texas i San Antonio och George Schatz från Northwestern University hjälpte till att förklara ursprunget till lägena och hur närvaron av en vattenfylld ficka skapade en mängd plasmoner, Hon sa.

Nästa utmaning är att testa nanoskal av andra former och storlekar, och för att se om det finns andra sätt att aktivera deras omkopplingspotentialer. Ringe misstänker att elektronstrålar kan förbli det bästa och kanske enda sättet att katalysera reaktioner inuti partiklar, och hon är hoppfull.

"Att använda en elektronstråle är faktiskt inte så tekniskt irrelevant som man kan tro, " sa hon. "Elektronstrålar är mycket lätta att generera. Och ja, saker måste vara i vakuum, men förutom det, människor har genererat elektronstrålar i nästan 100 år. Jag är säker på att för 40 år sedan sa folk, 'Ska du sätta en laser i en diskläsare? Det är galet!' Men de lyckades göra det.

"Jag tror inte att det är omöjligt att miniatyrisera elektronstråleteknik. Människor är bra på att flytta runt elektroner och elektricitet. Vi kom på det för länge sedan, sa Ringe.

Forskningen bör väcka fantasin hos forskare som arbetar med att skapa maskiner och processer i nanoskala, Hon sa.

"Detta är en omkonfigurerbar enhet som du kan komma åt med ljus, " sa hon. "Att läsa något med ljus är mycket snabbare än att läsa med elektroner, så jag tror att det här kommer att få uppmärksamhet från människor som tänker på dynamiska system och människor som tänker på hur man kan gå bortom nuvarande nanoteknik. Det här öppnar verkligen upp ett nytt fält."