La figura in alto mostra le molecole di idrogeno (rosso) assorbite su una nanoparticella di palladio, con conseguente debole diffusione della luce e cambiamenti spettrali appena rilevabili. La figura in basso mostra un'antenna dorata che migliora la diffusione della luce e produce uno spostamento spettrale facile da rilevare. Credito:Immagine per gentile concessione del gruppo Alivisatos
(PhysOrg.com) -- Capacità tecniche così ambite come l'osservazione di singoli processi catalitici nei nanoreattori, oppure il rilevamento ottico di basse concentrazioni di agenti biochimici e gas sono un importante passo avanti verso la fruizione. Ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), in collaborazione con ricercatori dell'Università di Stoccarda in Germania, riportano la prima dimostrazione sperimentale del rilevamento del gas potenziato dall'antenna a livello di singola particella. Posizionando una nanoparticella di palladio sulla punta di messa a fuoco di una nanoantenna d'oro, sono stati in grado di rilevare chiaramente i cambiamenti nelle proprietà ottiche del palladio in seguito all'esposizione all'idrogeno.
"Abbiamo dimostrato il rilevamento dell'idrogeno a singola particella potenziato dall'antenna nella regione visibile e presentato un approccio di fabbricazione al posizionamento di una singola nanoparticella di palladio nel nanofocus di una nanoantenna d'oro, "dice Paolo Alivisatos, Direttore del Berkeley Lab e leader di questa ricerca. "Il nostro concetto fornisce un modello generale per amplificare i segnali di rilevamento plasmonici a livello di singola particella e dovrebbe aprire la strada all'osservazione ottica delle reazioni chimiche e delle attività catalitiche nei nanoreattori, e per il biorilevamento locale."
Alivisato, che è anche Larry e Diane Bock Professor of Nanotechnology presso l'Università della California, Berkeley, è l'autore corrispondente di un articolo sulla rivista Materiali della natura descrivere questa ricerca. Il documento è intitolato "Rilevamento del gas potenziato con nanoantenna in un singolo nanofocus su misura". Co-autore del documento con Alivisatos erano Laura Na Liu, Ming Tang, Mario Hentschel e Harald Giessen.
Uno dei nuovi campi più caldi della tecnologia odierna è la plasmonica:il confinamento delle onde elettromagnetiche in dimensioni inferiori alla metà della lunghezza d'onda dei fotoni incidenti nello spazio libero. Tipicamente questo viene fatto all'interfaccia tra nanostrutture metalliche, di solito oro, e un dielettrico, solitamente aria. Il confinamento delle onde elettromagnetiche in queste nanostrutture metalliche genera onde elettroniche di superficie chiamate "plasmoni". Un adattamento della frequenza di oscillazione tra i plasmoni e le onde elettromagnetiche incidenti dà luogo a un fenomeno noto come risonanza plasmonica superficiale localizzata (LSPR), che può concentrare il campo elettromagnetico in un volume inferiore a poche centinaia di nanometri cubi. Qualsiasi oggetto portato in questo campo confinato localmente - denominato nanofocus - influenzerà l'LSPR in un modo che può essere rilevato tramite microscopia in campo oscuro.
"La nanofocalizzazione ha implicazioni immediate per il rilevamento plasmonico, "dice Laura Na Liu, autore principale dell'articolo su Nature Materials, che all'epoca del lavoro era un membro del gruppo di ricerca di Alivisatos, ma ora è alla Rice University. "Le nanostrutture metalliche con angoli e bordi taglienti che formano una punta appuntita sono particolarmente favorevoli per il rilevamento plasmonico perché le intensità di campo delle onde elettromagnetiche sono così fortemente potenziate su un volume di rilevamento estremamente piccolo".
Il rilevamento plasmonico è particolarmente promettente per il rilevamento di gas infiammabili come idrogeno, dove l'uso di sensori che richiedono misurazioni elettriche pone problemi di sicurezza a causa della potenziale minaccia di scintille. Idrogeno, Per esempio, può incendiarsi o esplodere in concentrazioni di solo il quattro per cento. Il palladio è stato visto come un ottimo candidato per il rilevamento plasmonico dell'idrogeno perché assorbe prontamente e rapidamente l'idrogeno che ne altera le proprietà elettriche e dielettriche. Però, gli LSPR delle nanoparticelle di palladio producono ampi profili spettrali che rendono estremamente difficile rilevare i cambiamenti.
Questa è un'immagine al microscopio elettronico a scansione che mostra una nanoparticella di palladio con un'antenna d'oro per migliorare il rilevamento plasmonico. Immagine per gentile concessione del gruppo Alivisatos
"Nel nostro schema risonante potenziato dall'antenna, utilizziamo la litografia a doppio raggio di elettroni in combinazione con una procedura di doppio sollevamento per posizionare con precisione una singola nanoparticella di palladio nel nanofocus di una nanoantenna d'oro, " Liu dice. "I campi vicini di plasmoni di particelle d'oro fortemente potenziati possono percepire il cambiamento nella funzione dielettrica della nanoparticella prossimale di palladio mentre assorbe o rilascia idrogeno. La luce diffusa dal sistema viene raccolta da un microscopio a campo oscuro con spettrometro collegato e la variazione LSPR viene letta in tempo reale".
Alivisato, Liu e i loro coautori hanno scoperto che l'effetto di potenziamento dell'antenna potrebbe essere controllato modificando la distanza tra la nanoparticella di palladio e l'antenna d'oro, e cambiando la forma dell'antenna.
"Amplificando i segnali di rilevamento a livello di singola particella, eliminiamo le caratteristiche statistiche e medie inerenti alle misure di insieme, " Liu dice. "Inoltre, la nostra tecnica di rilevamento plasmonico potenziata dall'antenna comprende uno schema non invasivo che è biocompatibile e può essere utilizzato in ambienti acquosi, rendendolo applicabile a una varietà di materiali fisici e biochimici."
Per esempio, sostituendo la nanoparticella di palladio con altri nanocatalizzatori, come il rutenio, platino, o magnesio, Liu afferma che il loro schema di rilevamento plasmonico potenziato dall'antenna può essere utilizzato per monitorare la presenza di numerosi altri gas importanti oltre all'idrogeno, compreso l'anidride carbonica e gli ossidi di azoto. Questa tecnica offre anche una promettente alternativa di rilevamento plasmonico alla rilevazione fluorescente della catalisi, che dipende dall'impegnativo compito di trovare fluorofori appropriati. Il rilevamento plasmonico potenziato dall'antenna ha anche il potenziale per l'osservazione di singoli eventi chimici o biologici.
"Riteniamo che la nostra tecnica di rilevamento potenziata dall'antenna possa fungere da ponte tra la plasmonica e la biochimica, " Liu dice. "Il rilevamento plasmonico offre uno strumento unico per sondare otticamente i processi biochimici che sono otticamente inattivi in natura. Inoltre, poiché le nanostrutture plasmoniche fatte di oro o argento non sbiancano o lampeggiano, consentono un'osservazione continua, una capacità essenziale per il monitoraggio in situ del comportamento biochimico."
