La luz dispersada por nanopartículas plasmónicas es útil, pero una parte se pierde en la superficie y los científicos ahora están empezando a descubrir por qué.

En experimentos novedosos en la Universidad Rice y la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, junto con el trabajo teórico en la Universidad de Princeton, Los investigadores encontraron que las moléculas colocadas en la superficie de una sola nanovarilla de oro afectan su respuesta plasmónica al alterar la estructura electrónica de la propia partícula.

El hallazgo podría mejorar aplicaciones como la catálisis que involucran química impulsada por plasmones.

Los plasmones son ondas de electrones que resuenan en la superficie de una nanopartícula de metal cuando se activan con la luz. La luz que reciben en una longitud de onda, o color, se irradia a la misma longitud de onda, y que puede informar a los investigadores sobre la partícula y su entorno.

Los plasmones de superficie ayudan a detectar la presencia de sustancias químicas, Permitir la fotoquímica y catalizar selectivamente reacciones químicas. Pero la luz perdida entre la superficie de la partícula y el ojo del investigador puede contener información adicional que antes no se consideraba.

Se pensaba que la pérdida de señal a través de la amortiguación de plasmones se debía a los productos químicos adsorbidos en la superficie de las nanopartículas. quizás a través de la transferencia de carga del metal a las sustancias químicas. Pero Stephan Link, profesor de química y de ingeniería eléctrica e informática en Rice, tenía dudas de que una sola explicación se ajustara a todos los estudios.

Lideraron a Link, el autor principal Benjamin Förster y sus colegas al descubrimiento de un mecanismo completamente diferente, informó esta semana en Avances de la ciencia .

Su estrategia consistía en colocar dos tipos de moléculas de tamaño idéntico con diferentes disposiciones atómicas en nanobarras de oro individuales para su análisis. Estas moléculas, tioles de carborano en forma de jaula, dipolos de superficie inducidos en el metal que a su vez dispersaron suficiente energía de los plasmones para amortiguar su señal.

Eso permitió a los investigadores ver y medir la amortiguación directamente sin interferencia de otras moléculas u otras nanovarillas. La proximidad de los tioles, idéntico excepto por la ubicación de un átomo de carbono, a los momentos dipolares únicos inducidos por la nanovarilla, los polos positivo y negativo de las moléculas que cambian de fuerza y ​​se mueven como la aguja de una brújula, en la superficie del metal.

Emily Carter, un científico teórico-computacional y decano de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Princeton, realizó cálculos detallados de mecánica cuántica para probar los mecanismos que podrían explicar los experimentos.

"Las resonancias plasmónicas tienen un ancho espectral que, junto con las longitudes de onda de resonancia, da colores específicos, "Dijo Link." Una línea estrecha te da un color más verdadero. Así que observamos cómo cambia el ancho de esta resonancia cuando colocamos moléculas en la partícula ".

No serviría cualquier molécula. Los tioles de carborano, moléculas del mismo tamaño exacto, se adhieren a las nanopartículas de oro en la misma medida, pero son químicamente lo suficientemente diferentes como para cambiar el ancho espectral de los plasmones. Eso permitió a los investigadores medir la amortiguación del plasmón por cada tipo de molécula sin la interferencia de otros mecanismos de amortiguación.

Los plasmones que fluyen a través de una superficie dependen tanto del tamaño y la forma de la partícula que se ha prestado poca atención al efecto de los productos químicos adsorbidos en la superficie. Dijo Förster.

"Si cambia la superficie de la nanovarilla, la energía se pierde de diferentes formas, ", dijo." No entendimos esto en absoluto. Pero si algo pierde energía no está funcionando como usted quiere que funcione ".

Las propiedades refractivas del medio circundante y el promedio de señales de múltiples partículas de varios tamaños y formas también pueden afectar la señal. Eso también ha dificultado el análisis del impacto de los productos químicos adsorbidos.

"Varias contribuciones determinan el ancho de resonancia del plasmón, ", Dijo Link." Pero hay un factor de engaño que todo el mundo invoca y que nadie había abordado realmente de una manera cuantitativa. Mucha gente culpó a la transferencia de carga, lo que significa que los electrones calientes excitados se mueven del metal a la molécula.

"Estamos diciendo que ese no es el caso aquí, ", dijo." Puede que no sea lo mismo cada vez que pones una molécula en una partícula de metal, pero esto nos da, por primera vez, un estudio cuantitativo completo que tampoco hace la vista gorda a la química en la interfaz. Nos permite entender que la química es importante.

"El trabajo es fundamental y creo que es bonito porque es muy simple, ", Dijo Link." Combinamos la muestra correcta, el experimento y la espectroscopia de una sola partícula con teoría avanzada, y lo juntamos todo ".