Los investigadores de la Universidad de Rice encontraron que los láseres pulsados (o "no estacionarios") podrían reducir los espectros de respuesta de nanocapas de oro de 60 nanómetros de ancho a una banda espectral muy estrecha (pico rojo), a diferencia de la excitación continua ("estacionaria") por láser (pico verde). El descubrimiento abre nuevas posibilidades para el uso de nanopartículas metálicas en aplicaciones médicas y electrónicas. Crédito:Lapotko Group / Rice University
(Phys.org) —Las nanopartículas de oro plasmónicas hacen posible el calentamiento puntual a pedido. Ahora, los investigadores de la Universidad de Rice han encontrado una manera de calentar selectivamente diversas nanopartículas que podrían promover su uso en la medicina y la industria.
Los científicos del arroz dirigidos por Dmitri Lapotko y Ekaterina Lukianova-Hleb mostraron nanopartículas de oro comunes, conocidos desde el siglo XIX como coloides de oro, se calientan a longitudes de onda del infrarrojo cercano tan estrechas como unos pocos nanómetros cuando son golpeadas por pulsos muy cortos de luz láser. El sorprendente efecto informado en Materiales avanzados parece estar relacionado con la excitación óptica no estacionaria de nanopartículas plasmónicas. Los plasmones son electrones libres en la superficie de los metales que se excitan con la entrada de energía, típicamente de la luz. Los plasmones en movimiento pueden transformar la energía óptica en calor.
"La idea clave con las nanopartículas de oro y los plasmónicos en general es convertir la energía, ", Dijo Lapotko." Hay dos aspectos en esto:uno es la eficiencia con la que se puede convertir la energía, y aquí las nanopartículas de oro son campeonas mundiales. Su absorbancia óptica es aproximadamente un millón de veces mayor que la de cualquier otra molécula de la naturaleza.
"El segundo aspecto es la precisión con la que se puede utilizar la radiación láser para que se produzca esta conversión fototérmica, ", dijo. Las partículas responden tradicionalmente a amplios espectros de luz, y no gran parte de ella se encuentra en la valiosa región del infrarrojo cercano. La luz del infrarrojo cercano es invisible para el agua y, más críticamente para aplicaciones biológicas, al tejido.
La fuerte respuesta de las nanopartículas de oro plasmónico a los láseres pulsados ("no estacionarios") en lugar de la excitación continua ("estacionaria") por los láseres parece deberse a la influencia de las nanoburbujas en las partículas, según investigadores de la Universidad de Rice. Crédito:Lapotko Group / Rice University
"Este era el problema, "Lapotko dijo." Todas las nanopartículas, comenzando con coloides de oro macizo y pasando a más sofisticados, nanoconchas de oro diseñadas, nanorods, jaulas y estrellas, tienen espectros muy amplios, típicamente alrededor de 100 nanómetros, lo que significa que se nos permitió usar solo un tipo de nanopartícula a la vez. Si intentáramos utilizar diferentes tipos, sus espectros se superpusieron y no nos beneficiamos de la alta capacidad de sintonización de los láseres ".
El descubrimiento permite que los pulsos de láser controlados sintonicen el espectro de absorbancia de los coloides de oro simple, Lapotko dijo. "Este enfoque novedoso es contrario al paradigma establecido que asume que las propiedades ópticas de las nanopartículas están preestablecidas durante su fabricación y permanecen constantes durante su excitación óptica, " él dijo.
El laboratorio de Rice mostró que las nanopartículas de oro coloidal básicas podrían activarse de manera eficiente mediante un pulso de láser corto a 780 nanómetros. con una amplificación de 88 veces del efecto fototérmico visto con un láser continuo. Los investigadores repitieron su experimento con grupos de nanopartículas en agua, en células cancerosas vivas y en animales, con iguales o mejores resultados:mostraron picos espectrales de dos nanómetros de ancho. Nunca se habían visto espectros fototérmicos tan estrechos en nanopartículas metálicas, ya sea individualmente o en grupos.
Diferentes tipos de nanopartículas, en este caso, conchas varillas y esferas sólidas:mezcladas juntas se pueden activar individualmente con luz láser pulsada en diferentes longitudes de onda, según investigadores de la Universidad de Rice. La respuesta plasmónica de las partículas sintonizadas, mejorado por nanoburbujas que se forman en la superficie, se pueden reducir a unos pocos nanómetros con un espectroscopio y se distinguen fácilmente entre sí. Crédito:Lapotko Group / Rice University
El efecto parece depender de las nanoburbujas de vapor que se forman cuando las partículas calientan el líquido en su entorno inmediato. Las nanoburbujas crecen y explotan en un instante. "En lugar de utilizar la nanopartícula como un disipador de calor con un láser estacionario, estamos creando un transitorio, Situación no estacionaria en la que la partícula interactúa con el láser incidente de una forma totalmente diferente, Lapotko dijo. Dijo que el efecto es repetible y funciona con pulsos de láser de menos de 100 picosegundos.
Aun mejor, un experimento con nanobarras y nanoconchas mixtas encontró que respondían a pulsos de láser con fuertes, señales distintas en longitudes de onda de 10 nanómetros de distancia. Eso significa que dos o más tipos de nanopartículas en la misma ubicación se pueden activar selectivamente a pedido.
"Las nanopartículas que usamos no eran nada lujosas; fueron utilizadas en el siglo XIX por Michael Faraday, y se creía que no podían hacer nada en el infrarrojo cercano, ", dijo." Esa fue la principal motivación para que la gente inventara nanobarras, nanoconchas y las otras formas. Aquí, demostramos que estas partículas económicas pueden comportarse bastante bien en el infrarrojo cercano ". Dijo que el descubrimiento abre la posibilidad de que muchas nanopartículas metálicas puedan usarse en aplicaciones biomédicas e industriales donde la selectividad espectral y el ajuste proporcionarían una precisión" sin precedentes ".
"Esto es más un fenómeno que un mecanismo firmemente establecido, con una buena base teórica, "Lapotko dijo." Pero cuando se aclara completamente, podría convertirse en una herramienta universal ".
