I mänsklig skala, att kontrollera temperaturen är ett enkelt koncept. Sköldpaddor solar sig för att hålla värmen. För att kyla en paj färsk från ugnen, lägg den på en bänkskiva i rumstemperatur.

På nanoskala - på avstånd som är mindre än 1/100 av bredden på det tunnaste människohåret - är det mycket svårare att kontrollera temperaturen. Nanoskalaavstånd är så små att objekt lätt blir termiskt kopplade:Om ett objekt värms upp till en viss temperatur, det gör också grannen.

När forskare använder en ljusstråle som värmekälla, det finns en ytterligare utmaning:Tack vare värmespridning, material i strålbanan värms upp till ungefär samma temperatur, vilket gör det svårt att manipulera de termiska profilerna för föremål i strålen. Forskare har aldrig kunnat använda ljus ensam för att aktivt forma och styra termiska landskap i nanoskala.

Åtminstone, inte förrän nu.

I ett papper publicerat 30 juli online av tidningen ACS Nano , ett team av forskare rapporterar att de har designat och testat ett experimentellt system som använder en nära-infraröd laser för att aktivt värma två guldnanorodantenner-metallstavar som är konstruerade och byggda i nanoskala-till olika temperaturer. Nanoroderna är så nära varandra att de är både elektromagnetiskt och termiskt kopplade. Ändå laget, ledd av forskare vid University of Washington, Rice University och Temple University, mätte temperaturskillnader mellan stavarna så höga som 20 grader Celsius. Genom att helt enkelt ändra laserns våglängd, de kan också ändra vilken nanorod som var svalare och vilken som var varmare, även om stavarna var gjorda av samma material.

"Om du lägger två liknande objekt bredvid varandra på ett bord, vanligtvis skulle du förvänta dig att de skulle ha samma temperatur. Detsamma gäller på nanoskala, "sa den motsvarande författaren David Masiello, UW-professor i kemi och fakultetsmedlem i både Molecular &Engineering Sciences Institute och Institute for Nano-Engineered Systems. "Här, vi kan utsätta två kopplade föremål av samma materialkomposition för samma stråle, och ett av dessa föremål blir varmare än det andra. "

Masiellos team utförde den teoretiska modelleringen för att designa detta system. Han samarbetade med motsvarande författare Stephan Link, professor i både kemi och el- och datateknik vid Rice University, och Katherine Willets, docent i kemi vid Temple University, att bygga och testa det.

Deras system bestod av två nanoroder gjorda av guld - en 150 nanometer lång och den andra 250 nanometer lång, eller cirka 100 gånger tunnare än det tunnaste människohåret. Forskarna placerade nanoroderna nära varandra, från ände till ände på en glasskiva omgiven av glycerol.

De valde guld av en specifik anledning. Som svar på energikällor som en nära-infraröd laser, elektroner i guld kan lätt "svänga". Dessa elektroniska svängningar, eller ytplasmonresonanser, effektivt omvandla ljus till värme. Även om båda nanoroderna var gjorda av guld, deras olika storleksberoende plasmoniska polarisationer innebar att de hade olika mönster av elektronoscillationer. Masiellos team beräknade att om nanorodplasmonerna oscillerade med antingen samma eller motsatta faser, de kan nå olika temperaturer - motverka effekterna av termisk diffusion.

Link's och Willets grupper utformade experimentsystemet och testade det genom att lysa en nära-infraröd laser på nanoroderna. De studerade strålens effekt vid två våglängder - en för oscillerande av nanorodplasmonerna med samma fas, en annan för motsatt fas.

Teamet kunde inte direkt mäta temperaturen på varje nanorod i nanoskala. Istället, de samlade in data om hur de uppvärmda nanoroderna och omgivande glycerol sprider fotoner från en separat stråle av grönt ljus. Masiellos team analyserade dessa data och upptäckte att nanoroderna brytade fotoner från den gröna strålen annorlunda på grund av nanoskala temperaturskillnader mellan nanoroderna.

"Denna indirekta mätning indikerade att nanoroderna hade värmts upp till olika temperaturer, även om de utsattes för samma nära-infraröda stråle och var tillräckligt nära för att vara termiskt kopplade, "sa medledarförfattaren Claire West, en UW -doktorand vid Institutionen för kemi.

Teamet fann också att genom att ändra våglängden för nära-infrarött ljus, de kan ändra vilken nanorod - kort eller lång - som värms upp mer. Lasern kan i huvudsak fungera som en avstämbar "omkopplare, "ändra våglängden för att ändra vilken nanorod som var varmare. Temperaturskillnaderna mellan nanoroderna varierade också beroende på deras avstånd från varandra, men nådde så högt som 20 grader Celsius över rumstemperatur.

Teamets resultat har en rad tillämpningar baserade på att kontrollera temperaturen i nanoskala. Till exempel, forskare kunde designa material som fototermiskt kontrollerar kemiska reaktioner med nanoskala precision, eller temperaturutlösta mikrofluidiska kanaler för filtrering av små biologiska molekyler.

Forskarna arbetar med att designa och testa mer komplexa system, såsom kluster och grupper av nanoroder. Dessa kräver mer invecklade modelleringar och beräkningar. Men med tanke på framstegen hittills, Masiello är optimistisk att detta unika partnerskap mellan teoretiska och experimentella forskargrupper kommer att fortsätta att göra framsteg.

"Det var ett lagarbete, och resultaten var många år på gång, men det fungerade, "sa Masiello.