Gli scienziati della Rice University hanno scoperto come modificare sottilmente la struttura interna dei nanotubi semi-cavi in ​​modo da alterare il modo in cui interagiscono con la luce, e poiché i cambiamenti sono reversibili, il metodo potrebbe costituire la base di un interruttore su scala nanometrica con un potenziale enorme.

"Non è 0-1, è 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10, ", ha detto la scienziata dei materiali di Rice Emilie Ringe, scienziato capo del progetto, che è dettagliato nella rivista dell'American Chemical Society Nano lettere . "Puoi distinguere tra più stati plasmonici in una singola particella. Questo ti dà una sorta di versione analogica degli stati quantistici, ma su un più grande, scala più accessibile."

Ringe e colleghi hanno utilizzato un fascio di elettroni per spostare l'argento da una posizione all'altra all'interno di nanoparticelle di oro e argento, qualcosa come un Etch A Sketch su scala nanometrica. Il risultato è un commutatore ottico riconfigurabile che può costituire la base per un nuovo tipo di memoria per computer a più stati, sensore o catalizzatore.

A circa 200 nanometri di lunghezza, 500 delle barre di metallo posizionate da un capo all'altro coprirebbero la larghezza di un capello umano. Però, sono grandi rispetto ai moderni circuiti integrati. Le loro capacità multistato li rendono più simili a codici a barre riprogrammabili che semplici bit di memoria, lei disse.

"Nessuno è stato in grado di cambiare in modo reversibile la forma di una singola particella con il livello di controllo che abbiamo, quindi siamo davvero entusiasti di questo, " ha detto Ring.

L'alterazione della struttura interna di una nanoparticella altera anche la sua risposta plasmonica esterna. I plasmoni sono le increspature elettriche che si propagano sulla superficie dei materiali metallici quando eccitati dalla luce, e le loro oscillazioni possono essere facilmente lette con uno spettrometro, o anche con l'occhio umano, poiché interagiscono con la luce visibile.

I ricercatori della Rice hanno scoperto di poter riconfigurare i nuclei di nanoparticelle con una precisione millimetrica. Ciò significa che i ricordi fatti di nanotubi non devono essere semplicemente on-off, Ringe ha detto, perché una particella può essere programmata per emettere molti modelli plasmonici distinti.

La scoperta è avvenuta quando Ringe e il suo team, che gestisce il laboratorio avanzato di microscopia elettronica di Rice, è stato chiesto dal suo collega e co-autore Denis Boudreau, un professore alla Laval University in Quebec, per caratterizzare nanotubi cavi realizzati principalmente in oro ma contenenti argento.

"La maggior parte dei nanoshell perde, " Ringe ha detto. "Hanno fori di spillo. Ma ci siamo resi conto che questi nanotubi erano privi di difetti e contenevano sacche d'acqua che erano intrappolate all'interno quando le particelle venivano sintetizzate. Abbiamo pensato:abbiamo qualcosa qui".

Ringe e l'autore principale dello studio, Lo scienziato ricercatore del riso Sadegh Yazdi, si resero presto conto di come avrebbero potuto manipolare l'acqua. "Ovviamente, è difficile fare chimica lì, perché non puoi mettere molecole in un nanoshell sigillato. Ma potremmo mettere gli elettroni dentro, " lei disse.

Focalizzando un fascio di elettroni subnanometrico sulla cavità interna si divide l'acqua e si inseriscono elettroni solvatati, elettroni liberi che possono esistere in una soluzione. "Gli elettroni hanno reagito direttamente con gli ioni d'argento nell'acqua, attirandoli alla trave per formare l'argento, " disse Ringe. Il liquido ormai povero d'argento si allontanò dal raggio, e i suoi ioni d'argento furono reintegrati mediante una reazione di sottoprodotti di scissione dell'acqua con l'argento solido in altre parti della bacchetta.

"In realtà stavamo spostando l'argento nella soluzione, riconfigurandolo, " ha detto. "Perché è un sistema chiuso, non stavamo perdendo nulla e non stavamo guadagnando nulla. Lo stavamo solo spostando, e potevamo farlo tutte le volte che volevamo."

I ricercatori sono stati quindi in grado di mappare le proprietà del campo vicino indotte dal plasmone senza disturbare la struttura interna, ed è allora che si sono resi conto delle implicazioni della loro scoperta.

"Abbiamo realizzato diverse forme all'interno delle nanobarre, e poiché siamo specializzati in plasmonica, abbiamo mappato i plasmoni e si è scoperto che ha un effetto molto carino, " ha detto Ringe. "In pratica abbiamo visto diverse distribuzioni del campo elettrico a diverse energie per diverse forme." I risultati numerici forniti dai collaboratori Nicolas Large dell'Università del Texas a San Antonio e George Schatz della Northwestern University hanno aiutato a spiegare l'origine dei modi e come la presenza di una tasca piena d'acqua ha creato una moltitudine di plasmoni, lei disse.

La prossima sfida è testare nanoshell di altre forme e dimensioni, e per vedere se ci sono altri modi per attivare i loro potenziali di commutazione. Ringe sospetta che i fasci di elettroni possano rimanere il modo migliore e forse l'unico per catalizzare le reazioni all'interno delle particelle, ed è speranzosa.

"L'utilizzo di un fascio di elettroni non è in realtà così tecnologicamente irrilevante come si potrebbe pensare, " ha detto. "I fasci di elettroni sono molto facili da generare. E sì, le cose devono essere nel vuoto, ma a parte questo, le persone hanno generato fasci di elettroni per quasi 100 anni. Sono sicuro che 40 anni fa la gente diceva, 'Metterai un laser in un lettore di dischi? Questo è pazzesco!' Ma sono riusciti a farlo.

"Non credo che sia irrealizzabile miniaturizzare la tecnologia del fascio di elettroni. Gli esseri umani sono bravi a spostare gli elettroni e l'elettricità in giro. Lo abbiamo capito molto tempo fa, " ha detto Ring.

La ricerca dovrebbe stimolare l'immaginazione degli scienziati che lavorano per creare macchine e processi su nanoscala, lei disse.

"Questa è un'unità riconfigurabile a cui puoi accedere con la luce, " ha detto. "Leggere qualcosa con la luce è molto più veloce che leggere con gli elettroni, quindi penso che questo attirerà l'attenzione delle persone che pensano ai sistemi dinamici e delle persone che pensano a come andare oltre le attuali nanotecnologie. Questo apre davvero un nuovo campo".