A escala humana, controlar la temperatura es un concepto sencillo. Las tortugas toman el sol para mantenerse calientes. Para enfriar un pastel recién salido del horno, colóquelo en una encimera a temperatura ambiente.

A nanoescala, a distancias de menos de 1/100 del ancho del cabello humano más delgado, controlar la temperatura es mucho más difícil. Las distancias a nanoescala son tan pequeñas que los objetos se acoplan térmicamente fácilmente:si un objeto se calienta a una cierta temperatura, también lo hace su vecino.

Cuando los científicos usan un rayo de luz como fuente de calor, hay un desafío adicional:gracias a la difusión del calor, los materiales en la trayectoria del haz se calientan aproximadamente a la misma temperatura, dificultando la manipulación de los perfiles térmicos de los objetos dentro del haz. Los científicos nunca han podido utilizar la luz por sí sola para dar forma y controlar activamente los paisajes térmicos a nanoescala.

Por lo menos, No hasta ahora.

En un artículo publicado en línea el 30 de julio por la revista ACS Nano , un equipo de investigadores informa que han diseñado y probado un sistema experimental que usa un láser de infrarrojo cercano para calentar activamente dos antenas de nanovarillas de oro, varillas de metal diseñadas y construidas a nanoescala, a diferentes temperaturas. Las nanovarillas están tan juntas que están acopladas tanto electromagnética como térmicamente. Sin embargo, el equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Washington, Universidad de Rice y Universidad de Temple, midió diferencias de temperatura entre las varillas de hasta 20 grados Celsius. Simplemente cambiando la longitud de onda del láser, También podían cambiar qué nanobarra era más fría y cuál más cálida, a pesar de que las varillas estaban hechas del mismo material.

"Si pones dos objetos similares uno al lado del otro en una mesa, normalmente se esperaría que estuvieran a la misma temperatura. Lo mismo ocurre a nanoescala, "dijo el autor principal correspondiente, David Masiello, profesor de química de la Universidad de Washington y miembro de la facultad tanto del Instituto de Ciencias Moleculares y de Ingeniería como del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería. "Aquí, podemos exponer dos objetos acoplados de la misma composición de material a la misma viga, y uno de esos objetos estará más caliente que el otro ".

El equipo de Masiello realizó el modelado teórico para diseñar este sistema. Se asoció con los coautores Stephan Link, profesor de química e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Rice, y Katherine Willets, profesor asociado de química en la Universidad de Temple, para construirlo y probarlo.

Su sistema consistía en dos nanobarras hechas de oro, una de 150 nanómetros de largo y la otra de 250 nanómetros de largo. o aproximadamente 100 veces más delgado que el cabello humano más delgado. Los investigadores colocaron las nanovarillas juntas, de punta a punta en un portaobjetos de vidrio rodeado de glicerol.

Eligieron el oro por una razón específica. En respuesta a fuentes de energía como un láser de infrarrojo cercano, los electrones dentro del oro pueden "oscilar" fácilmente. Estas oscilaciones electrónicas, o resonancias de plasmones superficiales, Convierta eficientemente la luz en calor. Aunque ambas nanobarras estaban hechas de oro, sus diferentes polarizaciones plasmónicas dependientes del tamaño significaban que tenían diferentes patrones de oscilaciones de electrones. El equipo de Masiello calculó eso, si los plasmones de nanovarillas oscilaron con la misma fase o con fases opuestas, podrían alcanzar diferentes temperaturas, contrarrestando los efectos de la difusión térmica.

Los grupos de Link y Willets diseñaron el sistema experimental y lo probaron iluminando las nanovarillas con un láser de infrarrojo cercano. Estudiaron el efecto del rayo en dos longitudes de onda:una para hacer oscilar los plasmones de nanovarillas con la misma fase, otro para la fase opuesta.

El equipo no pudo medir directamente la temperatura de cada nanovarilla a nanoescala. En lugar de, recopilaron datos sobre cómo las nanovarillas calentadas y el glicerol circundante dispersaban los fotones de un rayo de luz verde separado. El equipo de Masiello analizó esos datos y descubrió que las nanovarillas refractaban los fotones del rayo verde de manera diferente debido a las diferencias de temperatura a nanoescala entre las nanovarillas.

"Esta medición indirecta indicó que las nanovarillas se habían calentado a diferentes temperaturas, a pesar de que estaban expuestos al mismo rayo de infrarrojo cercano y estaban lo suficientemente cerca para acoplarse térmicamente, "dijo la coautora principal Claire West, un candidato a doctorado de la UW en el Departamento de Química.

El equipo también descubrió que, cambiando la longitud de onda de la luz infrarroja cercana, podían cambiar qué nanobarra, corta o larga, se calentaba más. El láser podría actuar esencialmente como un "interruptor sintonizable, "cambiando la longitud de onda para alterar qué nanovarilla estaba más caliente. Las diferencias de temperatura entre las nanovarillas también variaban según la distancia que las separaban, pero alcanzó hasta 20 grados centígrados por encima de la temperatura ambiente.

Los hallazgos del equipo tienen una variedad de aplicaciones basadas en el control de la temperatura a nanoescala. Por ejemplo, los científicos podrían diseñar materiales que controlen fototérmicamente reacciones químicas con precisión a nanoescala, o canales de microfluidos activados por temperatura para filtrar pequeñas moléculas biológicas.

Los investigadores están trabajando para diseñar y probar sistemas más complejos, como agrupaciones y matrices de nanobarras. Estos requieren modelos y cálculos más complejos. Pero dado el progreso hasta la fecha, Masiello es optimista de que esta asociación única entre grupos de investigación teóricos y experimentales seguirá progresando.

"Fue un esfuerzo de equipo, y los resultados tardaron años en hacerse, pero funcionó, "dijo Masiello.