Forskare har visat att sträckning av formminnespolymerer inbäddade med kluster av guldnanopartiklar förändrar deras plasmonkoppling, ger upphov till önskvärda optiska egenskaper. En potentiell tillämpning för materialet är en sensor som förlitar sig på optiska egenskaper för att spåra ett objekts eller miljös värmehistoria.

Det handlar om en töjbar polymer inbäddad med guld nanosfärer. Om materialet värms upp och sträcks, följt av kylning till rumstemperatur, materialet kommer att hålla sin utsträckta form på obestämd tid. När den har värmts upp till 120 grader Celsius, materialet återgår till sin ursprungliga form.

Men det som verkligen är intressant är att guldnanosfärerna inte är perfekt dispergerade i polymeren. Istället, de bildar kluster, där deras ytplasmonresonanser är kopplade. Dessa plasmonkopplade nanopartiklar har optiska egenskaper som skiftar beroende på hur nära de är varandra, som ändras när sträckning ändrar formen på kompositen.

"När man bedömer toppvåglängden för ljus som absorberas av materialet, det finns betydande skillnader beroende på om ljuset är polariserat parallellt eller vinkelrätt mot sträckningsriktningen, " säger Joe Tracy, motsvarande författare till en artikel om arbetet och professor i materialvetenskap och teknik vid NC State. "För ljus polariserat parallellt med sträckningsriktningen, ju längre du har sträckt materialet, ju längre ljuset som absorberas skiftar till det röda. För ljus polariserat vinkelrätt mot sträckningsriktningen finns en blåförskjutning."

"Vi fann också att medan formminnespolymeren håller sin form vid rumstemperatur, den återställer sin ursprungliga form på ett förutsägbart sätt, beroende på vilken temperatur den utsätts för, säger Tobias Kraus, medförfattare till tidningen, en gruppledare vid Leibniz-institutet för nya material och en professor vid Saarlands universitet.

Specifikt, en gång sträckte sig 140 % förbi sin ursprungliga längd, du kan bestämma den högsta temperaturen som polymeren sedan utsätts för, upp till 120 grader Celsius, genom att mäta hur mycket den har krympt tillbaka till sin ursprungliga storlek. Vad mer, på grund av de plasmonkopplade nanopartiklarna, denna förändring kan mätas indirekt, genom mätningar av materialets optiska egenskaper.

"Ur ett praktiskt perspektiv, detta låter dig skapa en optisk termisk historiksensor, Joe Tracy säger. "Du kan använda ljus för att se hur varmt materialet blev. En viktig tillämpning av värmehistoriska sensorer är att säkerställa kvaliteten eller säkerheten för transport eller lagring av material som är känsligt för betydande förändringar i värme. Vi har visat ett tillvägagångssätt baserat på plasmonkoppling av guldnanopartiklar."

Sensorkonceptet utvecklades empiriskt, men forskarna använde också beräkningsmodellering för att bättre förstå strukturen av klustren av guldnanosfärer och hur klustren förändrades under sträckning. Styrkan hos plasmonkoppling är relaterad till avstånden mellan nanosfärer, som är känd som en "plasmon linjal".

"Baserat på våra simuleringar, vi kan uppskatta avståndet mellan plasmonkopplade nanopartiklar utifrån deras optiska egenskaper, säger Amy Oldenburg, medförfattare till artikeln och professor i fysik vid University of North Carolina i Chapel Hill. "Denna jämförelse är informativ för att designa framtida polymera nanokompositer baserade på plasmonkopplade nanopartiklar."