Större är inte alltid bättre, men här är något som börjar smått och blir bättre när det blir större.

Tänd bara upp den och se.

Ett team ledd av Rice University-kemisterna Christy Landes och Stephan Link, båda associerade med Smalley-Curl Institute, har gjort hybridpartiklar som kombinerar de oslagbara ljusskördande egenskaperna hos plasmoniska nanopartiklar med flexibiliteten hos katalytiska polymerbeläggningar. Deras arbete kan hjälpa till att driva länge eftersträvade plasmoniska applikationer inom elektronik, bildbehandling, avkänning och medicin.

Plasmoner är de detekterbara krusningar av energi som skapas på ytan av vissa metaller när de exciteras av ljus eller annan input. Nanoantenner är mikroskopiska bitar av dessa metaller, som guld, silver och aluminium. Eftersom de är känsliga för specifika inmatningar beroende på deras storlek, form och typ, de är inställbara och därför användbara som sensorer, bioavbildningsmedel och även som terapeutiska medel.

Målet för huvudförfattarna Emily Searles, en doktorand i kemi, och Sean Collins, en före detta Carl och Lillian Illig postdoktor vid Rice, var att skapa hybrid nanoantenner med maximal energiöverföring från deras metallkärnor till en polymerbeläggning.

De hittade ett sätt att belägga guldnanopartiklar på ett elektrokemiskt underlag med en ljuskänslig, nickelbaserad polymer. När den utlöses av ljus, energi från guldets plasmoner flödar in i beläggningen medan den applicerade potentialen i den elektrokemiska cellen inducerar ny polymerisation från monomerer i lösning, fördubbling av beläggningsstorleken. Den resulterande hybriden dämpar ljusspridning från plasmonerna genom att överföra energi till polymerskalet.

"Förhoppningen är att eftersom vi har lagt energin i polymeren, vi kan nu utnyttja den energin för att reagera med andra molekyler på ytan av det mjuka gränssnittet, " Sa Searles. "Det finns inga reaktioner i denna tidning, men det är dit vi vill gå."

Studien visas i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

Guldpolymerpartiklarna som studerades mätte cirka 35 x 85 nanometer före polymerisation och dubbelt så mycket efter. På sin topp i experiment och simuleringar, de levererade 50 % effektivitet vid överföring av energi från nanopartikeln till beläggningen, 20 % bättre än det tidigare riktmärket.

Experiment involverade att placera individuella belagda partiklar på en indiumtennoxidelektrod under ett hyperspektralt mörkfältsmikroskop för att registrera deras spridningsspektra.

Forskarna kände till två möjliga vägar för att överföra ljusenergin mellan metaller och polymerbeläggningen:laddning och resonansenergiöverföring.

"Dessa nya hybrider, utnyttja energiöverföringsvägar, skulle kunna lösa två aktuella utmaningar med plasmonisk fotokatalys, " sa Link. "Först, effektiviteten är ofta låg eftersom laddningsöverföringen är långsam i jämförelse med andra konkurrerande processer.

"Andra, laddningsöverföring kräver vanligtvis en uppoffrande motreaktion eller så förgiftas katalysatorn med tiden, ", sade han. "Dessa energiöverföringsbaserade hybrider eliminerar behovet av en offerreaktion eftersom både elektron- och hålöverföring sker samtidigt."

Den första utmaningen var att ta reda på vilken polymer som var bäst för att få energi härifrån och dit.

"Nanoantennerna och polymeren ser väldigt lika ut om du bara mäter ljusspektrumet de absorberar, sa Collins, nu en litografiprocessingenjör på Intel.

"Dock, de absorberar faktiskt ljuset på helt olika sätt och tricket är att få de två mekanismerna att fungera tillsammans. Nanoantennen kastar ett enormt nät för att dra in ljusenergi och delar det mesta av fångsten till den hungriga polymeren, ger polymeren mycket mer energi än den någonsin skulle kunna skörda ensam."

Teamet bestämde den plasmoniska resonansdipolen i guldet och de elektriska dipolövergångarna i nickelpolymeren i linje när den triggades med ljus, tillhandahålla en väg för laddningsbärare att migrera från polymeren.

"Energin i polymeren försvinner efter ett tag, men det verkar inte gå tillbaka till guldet, " sa Searles.

Polymerbeläggningen når en punkt där avkastningen minskar, Hon sa. "Vi fann att det finns ett slags lycklig plats där du inte kommer att se någon mer energiöverföring, " Sa Searles. "Polymeren du lägger till är för långt borta från nanopartikeln."

Alla variabler mellan ljusinsläpp, nanopartikelkonfiguration och polymer kommer att hålla Searles sysselsatt i flera år när hon forskar om praktiska tillämpningar.

"Målet är att kunna skapa ett bibliotek av dessa system, " sa hon. "Beroende på ansökan, vi vill ändra spektrumet för att ha högsta energieffektivitet. Det finns många olika saker att ställa in, Säkert."

Landes betonade vikten av ett samarbetande team samt förmågan att kombinera nya avbildnings- och spektroskopiverktyg för projektet.

"Om vi ​​hoppas kunna utnyttja potentialen hos nya nanomaterial i framtida tillämpningar, det är avgörande att förstå hur sådana grundläggande processer som energiöverföring driver deras materialegenskaper på nano- och makroskala, "Sådana ansträngningar är större än vad som kan åstadkommas med en enda metod eller ett enda labb."