Abordar una pregunta de hace medio siglo, Los ingenieros de Stanford han determinado de manera concluyente cómo las oscilaciones colectivas de electrones, llamados plasmones, se comportan en partículas metálicas individuales tan pequeñas como de unos pocos nanómetros de diámetro. Este conocimiento puede abrir nuevas vías en nanotecnología que van desde la catálisis solar hasta la terapéutica biomédica.

El fenómeno físico de las resonancias de plasmones en pequeñas partículas metálicas se ha utilizado durante siglos. Son visibles en los tonos vibrantes de las grandes vidrieras del mundo. Más recientemente, Los ingenieros han utilizado resonancias de plasmón para desarrollar nuevas tratamientos contra el cáncer activados por la luz y para mejorar la absorción de la luz en energía fotovoltaica y fotocatálisis.

"Las vidrieras de la catedral de Notre Dame y la capilla de Stanford obtienen su color de nanopartículas metálicas incrustadas en el vidrio. Cuando las ventanas están iluminadas, las nanopartículas dispersan colores específicos según el tamaño y la geometría de las partículas ", dijo Jennifer Dionne, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y autor principal de un nuevo artículo sobre resonancias de plasmones que se publicará en la revista Naturaleza . En el estudio, el equipo de ingenieros informa de la observación directa de resonancias de plasmón de partículas metálicas individuales que miden hasta un nanómetro de diámetro, solo unos pocos átomos de diámetro.

"Para partículas de menos de diez nanómetros de diámetro, Las resonancias de plasmón son poco conocidas, "dijo Jonathan Scholl, candidato a doctorado en el laboratorio de Dionne y primer autor del artículo. "Esta clase de nanopartículas metálicas de tamaño cuántico se ha subutilizado en gran medida. Explorar su naturaleza dependiente del tamaño podría abrir algunas aplicaciones interesantes a nanoescala".

Debate de larga data

La ciencia de las diminutas partículas metálicas ha dejado perplejos a físicos e ingenieros durante décadas. Por debajo de un cierto umbral, como partículas metálicas cercanas a la escala cuántica —unos 10 nanómetros de diámetro— la física clásica se descompone. Las partículas comienzan a demostrar propiedades físicas y químicas únicas que no tienen las contrapartes a granel de los mismos materiales. Una nanopartícula de plata que mide unos pocos átomos de ancho, por ejemplo, responderá a los fotones y electrones de formas profundamente diferentes a las de una partícula o placa de plata más grande.

Ilustrando claramente los detalles de esta transición clásica a cuántica, Scholl y Dionne han llevado el campo de la plasmónica a un nuevo ámbito que podría tener consecuencias duraderas para los procesos catalíticos como la fotosíntesis artificial. investigación y tratamiento del cáncer, y computación cuántica.

"Las partículas a esta escala son más sensibles y reactivas que los materiales a granel, ", dijo Dionne." Pero no hemos podido aprovechar al máximo sus propiedades ópticas y electrónicas sin una imagen completa de la ciencia. Este documento proporciona la base para nuevas vías de nanotecnología que entran en el 100 al 10, 000 régimen de átomos ".

Metales nobles

En años recientes, Los ingenieros han prestado especial atención a las nanopartículas de los metales nobles:plata, oro, paladio, platino y así sucesivamente. Estos metales son bien conocidos por soportar resonancias de plasmones superficiales localizados, las oscilaciones colectivas de electrones en la superficie del metal en respuesta a la luz o un campo eléctrico.

Otras propiedades físicas importantes se pueden impulsar aún más cuando los plasmones están restringidos en espacios extremadamente pequeños, como las nanopartículas que estudiaron Dionne y Scholl. El fenómeno se conoce como confinamiento cuántico.

Dependiendo de la forma y el tamaño de la partícula, el confinamiento cuántico puede dominar la respuesta óptica y electrónica de una partícula. Esta investigación permite a los científicos, por primera vez, para correlacionar directamente la geometría de una partícula plasmónica de tamaño cuántico, su forma y tamaño, con sus resonancias de plasmón.

De pie para beneficiarse

La nanotecnología se beneficiará de esta nueva comprensión. "Podríamos descubrir nuevos dispositivos electrónicos o fotónicos basados ​​en la excitación y detección de plasmones en partículas de tamaño cuántico. Alternativamente, podría haber oportunidades en la catálisis, óptica cuántica, y bioimagen y terapéutica, "dijo Dionne.

Ciencia médica, por ejemplo, ha ideado una forma de utilizar nanopartículas excitadas por la luz para quemar las células cancerosas, un proceso conocido como ablación fototérmica. Las nanopartículas de metal se fijan con apéndices moleculares llamados ligandos que se unen exclusivamente a los receptores químicos de las células cancerosas. Cuando se irradia con luz infrarroja, las nanopartículas de metal se calientan, quema las células cancerosas sin afectar el tejido sano circundante. Las propiedades de las nanopartículas más pequeñas podrían mejorar la precisión y la eficacia de tales tecnologías, particularmente porque pueden integrarse más fácilmente en las células.

Hay una gran promesa para nanopartículas tan pequeñas en catálisis, así como. Las mayores proporciones de área de superficie a volumen que ofrecen las nanopartículas a escala atómica podrían mejorar la separación del agua y la fotosíntesis artificial. producir fuentes de energía limpias y renovables a partir de combustibles artificiales. Aprovechar los plasmones cuánticos en estas nanopartículas metálicas podría mejorar significativamente las tasas y eficiencias catalíticas.

Ayudar e incitar

La capacidad de los investigadores para observar plasmones en partículas de tamaño tan pequeño fue instigada por los poderosos, microscopio electrónico de transmisión de barrido ambiental multimillonario (E-STEM) instalado recientemente en el Centro de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala de Stanford, uno de los pocos microscopios de este tipo en el mundo.

Las imágenes E-STEM se utilizaron junto con la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), una técnica de investigación que mide el cambio de la energía de un electrón a medida que atraviesa un material, para determinar la forma y el comportamiento de las nanopartículas individuales. Conjunto, STEM y EELS permitieron al equipo abordar muchas de las ambigüedades de investigaciones anteriores.

"Con el nuevo microscopio, podemos resolver átomos individuales dentro de la nanopartícula, "dijo Dionne, "y podemos observar directamente las resonancias de plasmones cuánticos de estas partículas".

Ai Leen Koh, un científico investigador en el Laboratorio de Nanocaracterización de Stanford, y coautor del artículo, señaló:"Aunque los plasmones se pueden probar con luz y electrones, la excitación electrónica es ventajosa porque nos permite obtener imágenes de la nanopartícula hasta el nivel atómico y estudiar sus resonancias de plasmón al mismo tiempo ".

Scholl agregado, "Algún día, podríamos utilizar la técnica para observar las reacciones en curso para comprenderlas mejor y optimizarlas ".

Elegante y versátil

Los investigadores concluyeron explicando la física de su descubrimiento a través de un modelo analítico elegante y versátil basado en conocidos principios de la mecánica cuántica.

"Tecnicamente hablando, hemos creado un relativamente simple, modelo computacionalmente ligero que describe sistemas plasmónicos donde las teorías clásicas han fallado, "dijo Scholl.

Su modelo elegante y versátil abre numerosas oportunidades de ganancia científica.

"Este artículo representa una investigación fundamental. Hemos aclarado lo que era una comprensión científica ambigua y, por primera vez, correlacionó directamente la geometría de una partícula con su resonancia plasmónica para partículas de tamaño cuántico, "resumió Dionne." Y esto podría tener algunos muy interesantes, y muy prometedor, implicaciones y aplicaciones ".