p Abordando uma questão de meio século, engenheiros de Stanford determinaram conclusivamente como as oscilações eletrônicas coletivas, chamados plasmons, comportam-se em partículas de metal individuais tão pequenas quanto apenas alguns nanômetros de diâmetro. Esse conhecimento pode abrir novos caminhos na nanotecnologia, desde a catálise solar até a terapêutica biomédica. p O fenômeno físico de ressonâncias de plasmon em pequenas partículas de metal tem sido usado por séculos. Eles são visíveis nos tons vibrantes dos grandes vitrais do mundo. Mais recentemente, ressonâncias de plasmon têm sido usadas por engenheiros para desenvolver novos, tratamentos de câncer ativados por luz e para aumentar a absorção de luz em sistemas fotovoltaicos e fotocatálise.

p "Os vitrais da Catedral de Notre Dame e da Capela de Stanford derivam sua cor de nanopartículas de metal embutidas no vidro. Quando as janelas são iluminadas, as nanopartículas espalham cores específicas, dependendo do tamanho e da geometria da partícula ", disse Jennifer Dionne, professor assistente de ciência de materiais e engenharia em Stanford e autor sênior de um novo artigo sobre ressonâncias de plasmon a ser publicado na revista Natureza . No estudo, a equipe de engenheiros relata a observação direta de ressonâncias de plasmon de partículas de metal individuais medindo até um nanômetro de diâmetro - apenas alguns átomos de diâmetro.

p "Para partículas menores que cerca de dez nanômetros de diâmetro, ressonâncias de plasmon são mal compreendidas, "disse Jonathan Scholl, candidato a doutorado no laboratório de Dionne e primeiro autor do artigo. "Esta classe de nanopartículas de metal de tamanho quântico tem sido amplamente subutilizada. Explorar sua natureza dependente do tamanho pode abrir algumas aplicações interessantes em nanoescala."

p Debate de longa data

p A ciência das minúsculas partículas de metal tem deixado físicos e engenheiros perplexos por décadas. Abaixo de um certo limite, como partículas metálicas perto da escala quântica - cerca de 10 nanômetros de diâmetro - a física clássica se desintegra. As partículas começam a demonstrar propriedades físicas e químicas únicas que as contrapartes em massa dos mesmos materiais não demonstram. Uma nanopartícula de prata medindo alguns átomos de diâmetro, por exemplo, irá responder aos fótons e elétrons de maneiras profundamente diferentes de uma partícula maior ou placa de prata.

p Ao ilustrar claramente os detalhes desta transição clássico para quântico, Scholl e Dionne levaram o campo da plasmônica a um novo reino que pode ter consequências duradouras para os processos catalíticos, como a fotossíntese artificial, pesquisa e tratamento do câncer, e computação quântica.

p "Partículas nesta escala são mais sensíveis e reativas do que materiais a granel, "disse Dionne." Mas não fomos capazes de tirar o máximo proveito de suas propriedades ópticas e eletrônicas sem uma visão completa da ciência. Este artigo fornece a base para novos caminhos de nanotecnologia entrando na faixa 100 a 10, Regime de 000 átomos. "

p Metais nobres

p Nos últimos anos, engenheiros têm prestado atenção especial às nanopartículas de metais nobres:prata, ouro, paládio, platina e assim por diante. Esses metais são bem conhecidos por oferecer suporte a ressonâncias de plasmão de superfície localizada, as oscilações coletivas de elétrons na superfície do metal em resposta à luz ou a um campo elétrico.

p Outras propriedades físicas importantes podem ser impulsionadas ainda mais quando os plasmons são restringidos em espaços extremamente pequenos, como as nanopartículas que Dionne e Scholl estudaram. O fenômeno é conhecido como confinamento quântico.

p Dependendo da forma e do tamanho da partícula, o confinamento quântico pode dominar a resposta eletrônica e óptica de uma partícula. Esta pesquisa permite aos cientistas, pela primeira vez, para correlacionar diretamente a geometria de uma partícula plasmônica de tamanho quântico - sua forma e tamanho - com suas ressonâncias plasmônicas.

p Posição para se beneficiar

p A nanotecnologia se beneficia desse novo entendimento. "Podemos descobrir novos dispositivos eletrônicos ou fotônicos com base na excitação e detecção de plasmons em partículas de tamanho quântico. pode haver oportunidades na catálise, óptica quântica, e bioimagem e terapêutica, "disse Dionne.

p Ciência médica, por exemplo, desenvolveu uma maneira de usar nanopartículas excitadas pela luz para queimar células cancerosas, um processo conhecido como ablação fototérmica. Nanopartículas de metal são fixadas com apêndices moleculares chamados ligantes que se fixam exclusivamente a receptores químicos em células cancerosas. Quando irradiado com luz infravermelha, as nanopartículas de metal aquecem, queimar as células cancerosas, deixando o tecido saudável circundante inalterado. As propriedades de nanopartículas menores podem melhorar a precisão e a eficácia de tais tecnologias, particularmente porque eles podem ser mais facilmente integrados nas células.

p Há uma grande promessa para essas pequenas nanopartículas na catálise, também. As maiores proporções de área de superfície para volume oferecidas por nanopartículas em escala atômica poderiam melhorar a divisão da água e a fotossíntese artificial, gerando fontes de energia limpa e renovável a partir de combustíveis artificiais. Tirar vantagem dos plasmons quânticos nessas nanopartículas metálicas pode melhorar significativamente as taxas catalíticas e a eficiência.

p Ajudando e encorajando

p A capacidade dos pesquisadores de observar plasmons em partículas de tamanho tão pequeno foi estimulada pelos poderosos, microscópio eletrônico de transmissão de varredura ambiental multimilionário (E-STEM) instalado recentemente no Centro de Ciência e Engenharia em nanoescala de Stanford, um dos poucos microscópios desse tipo no mundo.

p A imagem E-STEM foi usada em conjunto com a espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) - uma técnica de pesquisa que mede a mudança da energia de um elétron à medida que ele passa por um material - para determinar a forma e o comportamento de nanopartículas individuais. Combinado, STEM e EELS permitiram que a equipe resolvesse muitas das ambigüidades das investigações anteriores.

p "Com o novo microscópio, podemos resolver átomos individuais dentro da nanopartícula, "disse Dionne, "e podemos observar diretamente as ressonâncias de plasmon quântico dessas partículas."

p Ai Leen Koh, um cientista pesquisador do Laboratório de Nanocaracterização de Stanford, e co-autor do artigo, observou:"Mesmo que os plasmons possam ser sondados usando luz e elétrons, a excitação de elétrons é vantajosa porque nos permite obter imagens da nanopartícula até o nível atômico e estudar suas ressonâncias plasmônicas ao mesmo tempo. "

p Scholl acrescentou, "Algum dia, podemos usar a técnica para observar as reações em andamento para melhor compreendê-las e otimizá-las. "

p Elegante e versátil

p Os pesquisadores concluíram explicando a física de sua descoberta por meio de um modelo analítico elegante e versátil baseado em princípios da mecânica quântica bem conhecidos.

p "Tecnicamente falando, criamos um relativamente simples, modelo computacionalmente leve que descreve sistemas plasmônicos onde as teorias clássicas falharam, "disse Scholl.

p Seu modelo elegante e versátil abre inúmeras oportunidades para ganhos científicos.

p "Este artigo representa uma pesquisa fundamental. Esclarecemos o que era um entendimento científico ambíguo e, pela primeira vez, correlacionou diretamente a geometria de uma partícula com sua ressonância plasmônica para partículas de tamanho quântico, "resumiu Dionne." E isso poderia ter alguns muito interessantes, e muito promissor, implicações e aplicações. "