Chiunque sia mai stato al Grand Canyon può riferire di provare forti sentimenti dall'essere vicino a uno dei bordi della natura. Allo stesso modo, scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto che le nanoparticelle d'oro agiscono in modo insolito quando si trovano vicino al bordo di un foglio di carbonio spesso un atomo, chiamato grafene. Ciò potrebbe avere grandi implicazioni per lo sviluppo di nuovi sensori e dispositivi quantistici.

Questa scoperta è stata resa possibile con un microscopio elettronico ultraveloce (UEM) di nuova costituzione presso il Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. L'UEM consente la visualizzazione e l'indagine di fenomeni su scala nanometrica e su tempi inferiori a un trilionesimo di secondo. Questa scoperta potrebbe fare colpo nel crescente campo della plasmonica, che coinvolge la luce che colpisce una superficie materiale e innesca onde di elettroni, noti come campi plasmonici.

Per anni, gli scienziati hanno perseguito lo sviluppo di dispositivi plasmonici con un'ampia gamma di applicazioni, dall'elaborazione delle informazioni quantistiche all'optoelettronica (che combina componenti basati sulla luce ed elettronici) ai sensori per scopi biologici e medici. Fare così, accoppiano materiali bidimensionali con spessore a livello atomico, come il grafene, con particelle metalliche nanometriche. Comprendere il comportamento plasmonico combinato di questi due diversi tipi di materiali richiede di capire esattamente come sono accoppiati.

In un recente studio di Argonne, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica ultraveloce per esaminare direttamente l'accoppiamento tra nanoparticelle d'oro e grafene.

"I plasmoni di superficie sono oscillazioni di elettroni indotte dalla luce sulla superficie di una nanoparticella o su un'interfaccia di una nanoparticella e un altro materiale, "Ha detto il nanoscienziato di Argonne Haihua Liu. "Quando facciamo luce sulla nanoparticella, crea un campo plasmonico di breve durata. Gli elettroni pulsati nel nostro UEM interagiscono con questo campo di breve durata quando i due si sovrappongono, e gli elettroni guadagnano o perdono energia. Quindi, raccogliamo quegli elettroni che guadagnano energia usando un filtro energetico per mappare le distribuzioni del campo plasmonico attorno alla nanoparticella".

Nello studio delle nanoparticelle d'oro, Liu e i suoi colleghi hanno scoperto un fenomeno insolito. Quando la nanoparticella si è posata su un foglio piatto di grafene, il campo plasmonico era simmetrico. Ma quando la nanoparticella è stata posizionata vicino a un bordo di grafene, il campo plasmonico si è concentrato molto più fortemente vicino alla regione del bordo.

"È un nuovo modo straordinario di pensare a come possiamo manipolare la carica sotto forma di un campo plasmonico e altri fenomeni usando la luce su scala nanometrica, " Liu ha detto. "Con capacità ultraveloci, non si può dire cosa potremmo vedere mentre modifichiamo diversi materiali e le loro proprietà".

Tutto questo processo sperimentale, dalla stimolazione della nanoparticella alla rilevazione del campo plasmonico, avviene in meno di poche centinaia di quadrilionesimi di secondo.

"Il CNM è l'unico a ospitare un UEM aperto all'accesso degli utenti e in grado di eseguire misurazioni con risoluzione spaziale nanometrica e risoluzione temporale inferiore al picosecondo, " ha detto il direttore di CNM Ilke Arslan. "Avere la capacità di prendere misure come questa in una finestra temporale così breve apre l'esame di una vasta gamma di nuovi fenomeni in stati di non equilibrio che non abbiamo avuto la capacità di sondare prima. Siamo entusiasti di fornire questa capacità alla comunità di utenti internazionale".

La comprensione acquisita riguardo al meccanismo di accoppiamento di questo sistema di nanoparticelle-grafene dovrebbe essere la chiave per lo sviluppo futuro di nuovi entusiasmanti dispositivi plasmonici.

Un documento basato sullo studio, "Visualizzazione di accoppiamenti plasmonici mediante microscopia elettronica ultraveloce, " apparso sull'edizione del 21 giugno di Nano lettere . Oltre a Liu e Arslan, altri autori includono Thomas Gage di Argonne, Richard Schaller e Stephen Gray. Hanno contribuito anche Prem Singh e Amit Jaiswal dell'Indian Institute of Technology, così come Jau Tang dell'Università di Wuhan e Sang Tae Park dell'IDES, Inc.