Più grande non è sempre meglio, ma ecco qualcosa che inizia in piccolo e migliora man mano che diventa più grande.

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Un team guidato dai chimici della Rice University Christy Landes e Stephan Link, entrambi associati allo Smalley-Curl Institute, hanno realizzato particelle ibride che combinano le imbattibili proprietà di raccolta della luce delle nanoparticelle plasmoniche con la flessibilità dei rivestimenti polimerici catalitici. Il loro lavoro potrebbe aiutare a potenziare le applicazioni plasmoniche a lungo perseguite nell'elettronica, immagini, sensoriale e medicina.

I plasmoni sono le increspature rilevabili di energia create sulla superficie di alcuni metalli quando eccitati dalla luce o da altri input. Le nanoantenne sono frammenti microscopici di questi metalli, come l'oro, argento e alluminio. Poiché sono sensibili a input specifici a seconda della loro dimensione, forma e tipo, sono sintonizzabili e quindi utili come sensori, agenti di bioimmagine e anche come terapeutici.

L'obiettivo degli autori principali Emily Searles, uno studente laureato in chimica, e Sean Collins, un ex borsista postdottorato di Carl e Lillian Illig alla Rice, era creare nanoantenne ibride con il massimo trasferimento di energia dai loro nuclei metallici a un rivestimento polimerico.

Hanno trovato un modo per rivestire nanoparticelle d'oro su un supporto elettrochimico con un materiale fotosensibile, polimero a base di nichel. Quando attivato dalla luce, l'energia dai plasmoni dell'oro fluisce nel rivestimento mentre il potenziale applicato nella cella elettrochimica induce nuova polimerizzazione dai monomeri in soluzione, raddoppiando la dimensione del rivestimento. L'ibrido risultante smorza la dispersione della luce dai plasmoni trasferendo energia nel guscio polimerico.

"La speranza è che, poiché abbiamo messo l'energia nel polimero, ora possiamo sfruttare quell'energia per reagire con altre molecole sulla superficie dell'interfaccia morbida, "Searles ha detto. "Non ci sono reazioni incluse in questo documento, ma è lì che vogliamo andare".

Lo studio appare sulla rivista American Chemical Society ACS Nano .

Le particelle di polimero d'oro studiate misuravano circa 35 x 85 nanometri prima della polimerizzazione e il doppio dopo. Al loro apice in esperimenti e simulazioni, hanno fornito un'efficienza del 50% nel trasferimento di energia dalla nanoparticella al rivestimento, 20% in più rispetto al benchmark precedente.

Gli esperimenti prevedevano il posizionamento di singole particelle rivestite su un elettrodo di ossido di indio e stagno sotto un microscopio iperspettrale a campo oscuro per registrare i loro spettri di dispersione.

I ricercatori conoscevano due possibili percorsi per trasferire l'energia luminosa tra i metalli e il rivestimento polimerico:trasferimento di carica e di energia risonante.

"Questi nuovi ibridi, sfruttando percorsi di trasferimento di energia, potrebbe risolvere due sfide attuali con la fotocatalisi plasmonica, " Link ha detto. "In primo luogo, le efficienze sono spesso basse perché il trasferimento di carica è lento rispetto ad altri processi concorrenti.

"Secondo, il trasferimento di carica di solito richiede una controreazione sacrificale o il catalizzatore viene avvelenato nel tempo, " ha detto. "Questi ibridi basati sul trasferimento di energia eliminano la necessità di una reazione sacrificale perché sia ​​il trasferimento di elettroni che quello di lacune avvengono simultaneamente".

La prima sfida è stata capire quale polimero fosse il migliore per ottenere energia da qui a lì.

"Le nanoantenne e il polimero sembrano molto simili se si misura semplicemente lo spettro di luce che assorbono, " disse Collins, ora ingegnere di processo di litografia presso Intel.

"Però, in realtà assorbono la luce in modi completamente diversi e il trucco sta nel far funzionare insieme questi due meccanismi. La nanoantenna lancia un'enorme rete per attirare l'energia luminosa e condivide la maggior parte del pescato con il polimero affamato, dando al polimero molta più energia di quanta ne potrebbe mai raccogliere da solo".

Il team ha determinato il dipolo di risonanza plasmonica nell'oro e le transizioni di dipolo elettrico nel polimero di nichel allineati quando innescati dalla luce, fornendo un percorso per la migrazione dei portatori di carica dal polimero.

"L'energia nel polimero si dissipa dopo un po', ma non sembra tornare all'oro, " ha detto Searles.

Il rivestimento polimerico raggiunge un punto di rendimenti decrescenti, lei disse. "Abbiamo scoperto che c'è una specie di posto felice dove non vedrai più alcun trasferimento di energia, "Searles ha detto. "Il polimero che stai aggiungendo è troppo lontano dalla nanoparticella."

Tutte le variabili tra input di luce, la configurazione delle nanoparticelle e il polimero terranno impegnata Searles per anni nella ricerca di applicazioni pratiche.

"L'obiettivo è riuscire a creare una libreria di questi sistemi, " ha detto. "A seconda della domanda, vogliamo spostare lo spettro per avere la massima efficienza energetica. Ci sono un sacco di cose diverse da mettere a punto, di sicuro."

Landes ha sottolineato l'importanza di un team collaborativo e la capacità di combinare nuovi strumenti di imaging e spettroscopia per il progetto.

"Se speriamo di sfruttare il potenziale di nuovi nanomateriali in applicazioni future, è fondamentale capire come processi fondamentali come il trasferimento di energia guidino le proprietà dei loro materiali su nano e macroscala, " ha detto. "Tali sforzi sono più grandi di quelli che possono essere compiuti con un singolo metodo o un singolo laboratorio".