A misura d'uomo, il controllo della temperatura è un concetto semplice. Le tartarughe si abbronzano per riscaldarsi. Per raffreddare una torta appena sfornata, posizionarlo su un piano di lavoro a temperatura ambiente.

Su scala nanometrica, a distanze inferiori a 1/100 della larghezza del capello umano più sottile, il controllo della temperatura è molto più difficile. Le distanze su nanoscala sono così piccole che gli oggetti si accoppiano facilmente termicamente:se un oggetto si riscalda fino a una certa temperatura, così fa il suo vicino.

Quando gli scienziati usano un raggio di luce come fonte di calore, c'è un'ulteriore sfida:grazie alla diffusione del calore, i materiali nel percorso del raggio si riscaldano approssimativamente alla stessa temperatura, rendendo difficile la manipolazione dei profili termici degli oggetti all'interno del raggio. Gli scienziati non sono mai stati in grado di utilizzare la sola luce per modellare e controllare attivamente i paesaggi termici su scala nanometrica.

Almeno, non fino ad ora.

In un articolo pubblicato online il 30 luglio dalla rivista ACS Nano , un team di ricercatori riferisce di aver progettato e testato un sistema sperimentale che utilizza un laser nel vicino infrarosso per riscaldare attivamente due antenne a nanobarre d'oro, barre di metallo progettate e costruite su scala nanometrica, a temperature diverse. I nanorod sono così vicini tra loro da essere accoppiati sia elettromagneticamente che termicamente. Eppure la squadra, guidato da ricercatori dell'Università di Washington, Rice University e Temple University, differenze di temperatura misurate tra le aste fino a 20 gradi Celsius. Semplicemente cambiando la lunghezza d'onda del laser, potevano anche cambiare quale nanorod era più freddo e quale era più caldo, anche se le canne erano dello stesso materiale.

"Se metti due oggetti simili uno accanto all'altro su un tavolo, normalmente ti aspetteresti che siano alla stessa temperatura. Lo stesso vale su scala nanometrica, " ha detto il corrispondente autore principale David Masiello, un professore UW di chimica e membro di facoltà sia presso il Molecular &Engineering Sciences Institute che presso l'Institute for Nano-Engineered Systems. "Qui, possiamo esporre allo stesso raggio due oggetti accoppiati della stessa composizione materiale, e uno di quegli oggetti sarà più caldo dell'altro."

Il team di Masiello ha eseguito la modellazione teorica per progettare questo sistema. Ha collaborato con gli autori corrispondenti Stephan Link, professore di chimica e ingegneria elettrica e informatica alla Rice University, e Katherine Willets, professore associato di chimica alla Temple University, per costruirlo e testarlo.

Il loro sistema consisteva in due nanotubi d'oro, uno lungo 150 nanometri e l'altro lungo 250 nanometri, o circa 100 volte più sottile dei capelli umani più sottili. I ricercatori hanno posizionato i nanorod vicini tra loro, da un capo all'altro su un vetrino circondato da glicerolo.

Hanno scelto l'oro per un motivo specifico. In risposta a fonti di energia come un laser nel vicino infrarosso, gli elettroni all'interno dell'oro possono "oscillare" facilmente. Queste oscillazioni elettroniche, o risonanze plasmoniche di superficie, convertire efficacemente la luce in calore. Sebbene entrambi i nanotubi fossero fatti d'oro, le loro diverse polarizzazioni plasmoniche dipendenti dalle dimensioni significavano che avevano diversi modelli di oscillazioni degli elettroni. La squadra di Masiello ha calcolato che, se i plasmoni nanorod oscillavano con fasi uguali o opposte, potrebbero raggiungere temperature diverse, contrastando gli effetti della diffusione termica.

I gruppi di Link e Willets hanno progettato il sistema sperimentale e lo hanno testato puntando un laser nel vicino infrarosso sulle nanobarre. Hanno studiato l'effetto del raggio a due lunghezze d'onda:una per far oscillare i plasmoni a nanobarre con la stessa fase, un altro per la fase opposta.

Il team non è stato in grado di misurare direttamente la temperatura di ogni nanobarra su scala nanometrica. Anziché, hanno raccolto dati su come i nanotubi riscaldati e il glicerolo circostante hanno diffuso i fotoni da un raggio separato di luce verde. Il team di Masiello ha analizzato quei dati e ha scoperto che i nanotubi rifrangono i fotoni dal raggio verde in modo diverso a causa delle differenze di temperatura su nanoscala tra i nanotubi.

"Questa misurazione indiretta ha indicato che i nanotubi sono stati riscaldati a temperature diverse, anche se erano esposti allo stesso raggio nel vicino infrarosso ed erano abbastanza vicini da essere accoppiati termicamente, " ha detto la co-autrice Claire West, un dottorando UW presso il Dipartimento di Chimica.

Il team ha anche scoperto che, modificando la lunghezza d'onda della luce nel vicino infrarosso, potrebbero cambiare quale nanobarra, corto o lungo, si è riscaldato di più. Il laser potrebbe essenzialmente agire come un "interruttore sintonizzabile, " cambiare la lunghezza d'onda per alterare quale nanobarra fosse più caldo. Anche le differenze di temperatura tra i nanobarre variavano in base alla loro distanza, ma ha raggiunto fino a 20 gradi Celsius sopra la temperatura ambiente.

I risultati del team hanno una gamma di applicazioni basate sul controllo della temperatura su scala nanometrica. Per esempio, gli scienziati potrebbero progettare materiali che controllano fototermicamente le reazioni chimiche con precisione su scala nanometrica, o canali microfluidici innescati dalla temperatura per filtrare minuscole molecole biologiche.

I ricercatori stanno lavorando per progettare e testare sistemi più complessi, come cluster e array di nanobarre. Questi richiedono modelli e calcoli più complessi. Ma visti i progressi fino ad oggi, Masiello è ottimista sul fatto che questa partnership unica tra gruppi di ricerca teorici e sperimentali continuerà a fare progressi.

"E 'stato un lavoro di squadra, e i risultati sono stati anni di lavoro, ma ha funzionato, " disse Masiello.