Immagina se il vapore acqueo nel tuo respiro o intorno alla punta delle dita rivelasse modelli invisibili su prodotti commerciali:smartphone, computer portatili, liquori costosi, che verificavano l'autenticità dei prodotti e aiutavano gli sforzi anticontraffazione.

Immaginare, pure, se veloce, stabile, e il cambio di colore reversibile potrebbe essere facilmente sviluppato nei solidi, aprendo applicazioni promettenti nei display a colori, segnaletica, sensori, e crittografia delle informazioni.

Un team guidato da un chimico dell'Università della California, lungo il fiume, ha avvicinato questa fantasia alla realtà fabbricando per la prima volta pellicole "plasmoniche" di nanoparticelle d'argento modificabili a colori, o AgNP. Fino ad ora, tale cambiamento di colore delle nanoparticelle è stato ottenuto principalmente nei liquidi, limitando il loro potenziale per applicazioni pratiche.

"Sintonizzazione rapida e reversibile del colore plasmonico nei film solidi, una sfida fino ad ora, è molto promettente per una serie di applicazioni, " disse Yadong Yin, un professore di chimica, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Il nostro nuovo lavoro porta le nanoparticelle metalliche plasmoniche in prima linea nelle applicazioni di conversione del colore".

I risultati dello studio vengono visualizzati in Angewandte Chemie Edizione Internazionale . Il documento di ricerca è stato designato un documento VIP dalla rivista.

plasmonica

Nanoparticelle di metalli plasmonici, come oro e argento, hanno proprietà ottiche speciali perché assorbono e diffondono efficacemente la luce a particolari lunghezze d'onda. I loro colori possono essere alterati modificando la distanza tra le loro singole particelle, una caratteristica che il team di ricerca di Yin ha sfruttato per sviluppare il loro film plasmonico che cambia colore.

I ricercatori hanno rivestito un substrato di vetro con uno strato di borato di sodio, o borace. Quindi hanno spruzzato AgNP sul borace per formare un film. Yin ha spiegato che ogni AgNP ha ligandi capping sulla sua superficie che introducono una distanza tra gli AgNP. Senza il tampone fornito dai ligandi, le nanoparticelle si ammassino insieme.

Lezione di chimica

In presenza di acqua o umidità, il borace si trasforma in acido borico e rilascia ioni ossidrile. Questi ioni "deprotonano" un gruppo chimico dei ligandi, con conseguente perdita di un protone e l'aggiunta di una carica negativa sugli AgNP. Le forze di repulsione allontanano le nanoparticelle caricate negativamente l'una dall'altra. Le nanoparticelle, che sono rosa, acquisire nuove distanze interparticellari, facendoli riflettere un colore diverso:giallo.

Quando l'umidità viene rimossa, l'acido borico si riconverte in borace catturando ioni ossidrile, iniziando una protonazione del gruppo chimico del ligando. Ciò provoca una riduzione delle cariche superficiali sul legante, indebolendo le forze di repulsione tra gli AgNP e inducendoli ad avvicinarsi l'uno all'altro e ad aggregarsi. Con le distanze tra le particelle ora ridotte, il colore del film AgNP torna dal giallo al rosa, dimostrando la piena reversibilità.

"Attraverso questo meccanismo, potremmo ottenere rapidamente il cambio di colore plasmonico del film AgNP in presenza o assenza di umidità, " disse Yin. "Nei nostri esperimenti, abbiamo esposto il film AgNP a un'umidità dell'80% di umidità relativa e abbiamo scoperto che il film ha cambiato colore dal rosa al rosso, arancia, e infine giallo."

Per la punta delle dita

Sfruttando l'umidità relativa intorno alle dita umane, fino al 100%, il team di Yin ha scoperto che i film AgNP possono cambiare colore in risposta alla vicinanza di un dito.

"Ciò consente un comodo, rapido, e metodo touchless che può essere utilizzato nella crittografia delle informazioni e nell'autenticazione del prodotto, Yin ha detto. "Vari modelli ad alta risoluzione possono essere efficacemente crittografati nei film AgNP attraverso un processo di litografia e quindi decifrati quando esposti all'umidità nel respiro umano o dalla punta delle dita. Altre applicazioni prevedibili includono la comunicazione sicura e l'ambiente calorimetrico in tempo reale o il monitoraggio della salute".

Il team di Yin ha scoperto che i film AgNP sensibili all'umidità hanno mostrato reversibilità e ripetibilità nel cambio colore plasmonico per più di 1, 000 cicli.