Rispondendo a una domanda vecchia di mezzo secolo, gli ingegneri di Stanford hanno definitivamente determinato come le oscillazioni elettroniche collettive, chiamati plasmoni, si comportano in singole particelle metalliche di appena pochi nanometri di diametro. Questa conoscenza può aprire nuove strade alla nanotecnologia, dalla catalisi solare alle terapie biomediche.

Il fenomeno fisico delle risonanze plasmoniche nelle piccole particelle metalliche è stato utilizzato per secoli. Sono visibili nelle tonalità vibranti delle grandi vetrate del mondo. Più recentemente, risonanze plasmoniche sono state utilizzate dagli ingegneri per sviluppare nuovi, trattamenti contro il cancro attivati ​​dalla luce e per migliorare l'assorbimento della luce nel fotovoltaico e nella fotocatalisi.

"Le vetrate della Cattedrale di Notre Dame e della Cappella di Stanford traggono il loro colore da nanoparticelle metalliche incorporate nel vetro. Quando le finestre sono illuminate, le nanoparticelle diffondono colori specifici a seconda delle dimensioni e della geometria della particella ", ha affermato Jennifer Dionne, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e autore senior di un nuovo articolo sulle risonanze plasmoniche da pubblicare sulla rivista Natura . Nello studio, il team di ingegneri riporta l'osservazione diretta delle risonanze plasmoniche di singole particelle metalliche che misurano fino a un nanometro di diametro, solo pochi atomi di diametro.

"Per particelle di diametro inferiore a una decina di nanometri, le risonanze plasmoniche sono poco conosciute, " ha detto Jonathan Scholl, un dottorando nel laboratorio di Dionne e primo autore del documento. "Questa classe di nanoparticelle metalliche di dimensioni quantistiche è stata ampiamente sottoutilizzata. Esplorare la loro natura dipendente dalle dimensioni potrebbe aprire alcune interessanti applicazioni su scala nanometrica".

Dibattito di lunga data

La scienza delle minuscole particelle metalliche ha lasciato perplessi fisici e ingegneri per decenni. Al di sotto di una certa soglia, come particelle metalliche vicino alla scala quantistica - circa 10 nanometri di diametro - la fisica classica si rompe. Le particelle iniziano a dimostrare proprietà fisiche e chimiche uniche che le controparti sfuse degli stessi materiali non hanno. Una nanoparticella d'argento che misura pochi atomi di diametro, ad esempio, risponderà a fotoni ed elettroni in modi profondamente diversi da una particella o una lastra d'argento più grandi.

Illustrando chiaramente i dettagli di questa transizione da classica a quantistica, Scholl e Dionne hanno spinto il campo della plasmonica in un nuovo regno che potrebbe avere conseguenze durature per i processi catalitici come la fotosintesi artificiale, ricerca e trattamento del cancro, e informatica quantistica.

"Le particelle di questa scala sono più sensibili e più reattive dei materiali sfusi, " ha detto Dionne. "Ma non siamo stati in grado di sfruttare appieno le loro proprietà ottiche ed elettroniche senza un quadro completo della scienza. Questo documento fornisce le basi per nuove strade della nanotecnologia che entrano nel 100-to-10, regime di 000 atomi".

Metalli nobili

Negli ultimi anni, gli ingegneri hanno prestato particolare attenzione alle nanoparticelle dei metalli nobili:argento, oro, palladio, platino e così via. Questi metalli sono ben noti per supportare risonanze plasmoniche superficiali localizzate, le oscillazioni collettive degli elettroni sulla superficie metallica in risposta alla luce oa un campo elettrico.

Altre importanti proprietà fisiche possono essere ulteriormente guidate quando i plasmoni sono vincolati in spazi estremamente piccoli, come le nanoparticelle studiate da Dionne e Scholl. Il fenomeno è noto come confinamento quantistico.

A seconda della forma e delle dimensioni della particella, il confinamento quantistico può dominare la risposta elettronica e ottica di una particella. Questa ricerca consente agli scienziati, per la prima volta, per correlare direttamente la geometria di una particella plasmonica di dimensioni quantistiche, la sua forma e dimensione, con le sue risonanze plasmoniche.

In piedi per beneficiare

La nanotecnologia trarrà vantaggio da questa nuova comprensione. "Potremmo scoprire nuovi dispositivi elettronici o fotonici basati sull'eccitazione e il rilevamento di plasmoni in particelle di dimensioni quantistiche. In alternativa, potrebbero esserci opportunità nella catalisi, ottica quantistica, e bio-immagini e terapie, " disse Dionne.

Scienza medica, ad esempio, ha escogitato un modo per utilizzare le nanoparticelle eccitate dalla luce per bruciare le cellule cancerose, un processo noto come ablazione fototermica. Le nanoparticelle metalliche sono fissate con appendici molecolari chiamate ligandi che si attaccano esclusivamente ai recettori chimici sulle cellule cancerose. Quando irradiato con luce infrarossa, le nanoparticelle metalliche si riscaldano, bruciando le cellule cancerose lasciando inalterato il tessuto sano circostante. Le proprietà delle nanoparticelle più piccole potrebbero migliorare l'accuratezza e l'efficacia di tali tecnologie, tanto più che possono essere più facilmente integrati nelle celle.

C'è una grande promessa per nanoparticelle così piccole nella catalisi, anche. I maggiori rapporti superficie-volume offerti dalle nanoparticelle su scala atomica potrebbero migliorare la scissione dell'acqua e la fotosintesi artificiale, produrre fonti di energia pulita e rinnovabile da combustibili artificiali. Sfruttare i plasmoni quantistici in queste nanoparticelle metalliche potrebbe migliorare significativamente i tassi catalitici e l'efficienza.

Soccorso e favoreggiamento

La capacità dei ricercatori di osservare i plasmoni in particelle di dimensioni così piccole è stata favorita dal potente, microscopio elettronico a trasmissione a scansione ambientale multimilionario (E-STEM) installato di recente presso il Center for Nanoscale Science and Engineering di Stanford, uno dei pochi microscopi al mondo.

L'imaging E-STEM è stato utilizzato in combinazione con la spettroscopia a perdita di energia degli elettroni (EELS), una tecnica di ricerca che misura il cambiamento dell'energia di un elettrone mentre passa attraverso un materiale, per determinare la forma e il comportamento delle singole nanoparticelle. Combinato, STEM e EELS hanno permesso al team di affrontare molte delle ambiguità delle precedenti indagini.

"Con il nuovo microscopio, possiamo risolvere singoli atomi all'interno della nanoparticella, " disse Dionne, "e possiamo osservare direttamente le risonanze plasmoniche quantistiche di queste particelle".

Ai Leen Koh, un ricercatore presso lo Stanford Nanocharacterization Laboratory, e coautore dell'articolo, ha osservato:"Anche se i plasmoni possono essere sondati usando sia la luce che gli elettroni, l'eccitazione degli elettroni è vantaggiosa in quanto ci consente di visualizzare la nanoparticella fino al livello atomico e studiarne le risonanze plasmoniche allo stesso tempo".

Scholl ha aggiunto, "Un giorno, potremmo usare la tecnica per osservare le reazioni in corso per comprenderle meglio e ottimizzarle".

Elegante e versatile

I ricercatori hanno concluso spiegando la fisica della loro scoperta attraverso un modello analitico elegante e versatile basato su noti principi della meccanica quantistica.

"Parlando tecnicamente, abbiamo creato un relativamente semplice, modello computazionalmente leggero che descrive sistemi plasmonici in cui le teorie classiche hanno fallito, " ha detto Scholl.

Il loro modello elegante e versatile apre numerose opportunità di guadagno scientifico.

"Questo documento rappresenta una ricerca fondamentale. Abbiamo chiarito quale fosse una comprensione scientifica ambigua e, per la prima volta, correla direttamente la geometria di una particella con la sua risonanza plasmonica per particelle di dimensioni quantistiche, " ha riassunto Dionne. "E questo potrebbe avere alcune cose molto interessanti, e molto promettente, implicazioni e applicazioni”.