בדיקות מעבדה גבול מולקולרי של plasmonics

חוצה ישראל עם קובי מידן - פרופ' מרטין קופייק (יולי 2019).

Anonim

חוקרים מאוניברסיטת רייס בודקים את הגבולות הפיזיים של מדינות אלקטרוניות נרגשות הנקראות פלסמונים על ידי חקרן במולקולות אורגניות עם פחות מ -50 אטומים.

Plasmons הם תנודות בפלסמה של אלקטרונים חופשיים כי כל הזמן מערבולת על פני השטח של חומרים מוליכים כמו מתכות. בחלק ננו, צבע מסוים של אור יכול להדהד עם פלזמה ולגרום האלקטרונים בתוכו לאבד את הזהויות האישיות שלהם לזוז כאחד, בגלים קצובים. המעבדה של רייס עבור Nanophotonics (LANP) יש חלוץ רשימה הולכת וגדלה של טכנולוגיות plasmonic עבור יישומים מגוונים כמו זכוכית שינוי צבע, חישה מולקולארית, אבחון סרטן וטיפול, אופטו, אנרגיה סולארית אוסף photocatalysis.

החוקרים דיווחו על תוצאות מחקר ניסויי ותיאורטיקלי של פלסמונים בניסויי תלת-ממד שונים (PAH). בניגוד לפלאסמונים בחלקיקי מתכת גדולים יחסית, שניתן לתאר בדרך כלל בתיאוריה האלקטרומגנטית הקלאסית כמו משוואות מקסוול, מיעוט האטומים ב PAHs מייצר פלסמונס שניתן להבין רק במונחים של מכניקת הקוונטים, כך אומר מחבר המחקר, המעצבת נעמי חלס, מנהלת ה- LANP והחוקר הראשי בפרויקט.

"אלה PAHs הם למעשה פיסות של גרפן המכילים חמישה או שישה טבעות בנזן התמזמו מוקף היקף של אטומי מימן, " אמר Halas. "יש כל כך מעט אטומים בכל אחד כי הוספה או הסרת אפילו אלקטרונים בודדים משנה באופן דרמטי את ההתנהגות האלקטרונית שלהם."

צוות המחקר של חלאס אבחן באופן ניסיוני את קיומם של פלסמונים מולקולריים במספר מחקרים קודמים. לדברי החוקרים, המחקר המשותף לוקה בורסי, עמית מחקר פוסט-דוקטורט ופיסיקאי תיאורטי בקבוצת המחקר של עמית המחקר והמחבר המשותף, פיטר נורדלנדר, אמר כי יש צורך בחקירה המשלבת פרספקטיבה תיאורטית וניסויית.

"ההתרגשויות המולקולריות הן מקום נדיר בטבע ונלמדו היטב, במיוחד עבור PAHs ניטראליים, שנחשבו כסטנדרטים של עירורים לא פלסמוניים בעבר", אמר בורסי. "לאור כמה כבר ידוע על PAHs, הם היו בחירה אידיאלית לחקירה נוספת של המאפיינים של עירורים plasmonic במערכות קטנות כמו מולקולות בפועל, המייצגים גבול plasmonics."

להוביל מחבר המחבר קייל Chapkin, Ph.D. סטודנט בפיסיקה יישומית בקבוצת המחקר של חלאס, אמר כי "פלסמוניקים מולקולאריים הם אזור חדש בממשק בין פלסמוניות וכימיה מולקולרית, המתפתח במהירות, כאשר פלסמוניות מגיעות לממדים המולקולריים, אנו מאבדים כל הבחנה חדה של מה שקורה בפלזמון ומה לא, אנחנו צריכים למצוא טעם חדש להסביר את המשטר הזה, שהיה אחד המניעים העיקריים למחקר זה ".

במדינתם, ה- PAHs שנחקרו - אנתנתרן, בנזו (ghi) perylene ו- perylene - נייטרליים נטולי סיכון ואינם יכולים להיות נרגשים למצב פלסמוני על ידי אורכי הגל הגלויים של האור המשמשים בניסויים של המפרק. בצורתם האוניית, המולקולות מכילות אלקטרון נוסף, אשר משנה את "מצב הקרקע" שלהן ומפעיל אותן בצורה פלסמונית בספקטרום הגלוי. על ידי מרגש הן את הצורות יליד ו אניוני של המולקולות והשווה בדיוק איך הם התנהגו כפי שהם רגוע בחזרה למצבים הקרקע שלהם, Chapkin ו בורסי בנה מקרה מוצק כי צורות אניוני לעשות תמיכה plasmons מולקולרית בספקטרום הגלוי.

המפתח, אמר צ'יפקין, זיהה מספר קווי דמיון בין התנהגותם של חלקיקים פלסמוניים ידועים לבין ה- PAHs האניוני. על ידי התאמת הן את timescales ומצבים עבור התנהגויות הרפיה, צוות LANP בנוי תמונה של דינמיקה אופיינית של אנרגיה נמוכה פלסמוניק excitations ב PAHs אניוני.

"במולקולות, כל ההתרגשויות הן עירורים מולקולאריים, אך מצבים נבחרים נבחרים מציגים מאפיינים שמאפשרים לנו לצייר מקבילות עם עירורים פלאסמוניים מבוססים בננו-מתכת", אמר בורסי.

"מחקר זה מציע חלון על התנהגות מפתיעה לפעמים של התרגשות קולקטיבית במערכות קוונטיות מעטות, " אמר חלאס. "מה שלמדנו כאן יסייע למעבדה שלנו ואחרים בפיתוח גישות קוונטיות-פלסמוניות לחלונות שמשתנים במהירות גבוהה, אלקטרואופטיקה בקנה מידה מולקולרי ואופטיקה לא ליניארית בתיווך פלסמון".

menu
menu