Привет всем любителям новостей науки и технологий!
Сегодня мы поговори о плазмонном хамелеоне, о реальном можно почерпнуть тут.
Любой металл – это прежде всего массив свободно движущихся электронов, своеобразный резервуар с электронным газом. А металл, находящийся в наноразмерном состоянии, обладает одним удивительным свойством – плазмонным резонансом. Группа китайских учёных совместно с американскими коллегами использовала эту особенность наночастиц при создании плазмонного камуфляжа.
О том, что же это такое и с чем это едят, Вы узнаете под катом.
Предисловие
Чтобы понять, как это работает, нам необходимо ненадолго углубиться в физику процесса. Итак, что же такое плазмонный резонанс и с чем его употребляют?
Все мы знаем, как свет взаимодействует с гладкой поверхностью металла – он отражается, именно поэтому металлы используются при производстве зеркал: одни металлы отражают свет хуже, другие лучше. Но что происходит, когда свет или электромагнитная волна взаимодействует с наночастицей металла, буквально наполненной электронами? В силу малых размеров наночастиц металла и высокой подвижности электронов в них, электрическое поле электромагнитной волны смещает электронное облако внутри наночастицы на небольшую величину, оголяя с обратной стороны положительно заряженный остов из атомов металла.
Взаимодействие электромагнитной волны, являющейся источником внешнего электрического поля, с наночастицей металла, следствием которого становится сила притяжения между смещёнными подвижными электронами и положительно заряженным тяжёлым остовом атомов металла
В результате между двумя противоположно заряженными половинками наночастицы возникает сила кулоновского притяжения, возвращающая электроны на прежнее место. Это и есть плазмон (затухающее колебание электронного газа), поэтому и сами частицы называются плазмонными. Как и в случае с любыми иными колебательными процессами, данный феномен обладает одним интересными свойством – резонансом, что выражается в резком усилении поглощения электромагнитных волн с определённой частотой или длиной волны. Именно поэтому в спектрах поглощения растворов металлических наночастиц присутствует необычная колоколообразная составляющая, представленная на рисунке ниже.
Спектры поглощения золотых наночастиц различного диаметра. Для наглядности представлена видимая часть спектра
В зависимости от диаметра наночастиц длина волны света, при которой происходит такое резонансное поглощение, может варьироваться, как и в случае с квантовыми точками.
Дополнительно про данный эффект можно почитать на страницах журнала «Потенциал» (единственную ссылку на приобретение журнала нашёл тут). Или послушать на YouTube лекцию, прочитанную для участников в рамках 9-ой НаноОлимпиады:
Плазмонный хамелеон
Конечно же, каждый металл имеет свою резонансную (плазмонную) частоту. Для золота длина волны, при которой происходит резонанс, составляет примерно 520-550 нм, для серебра около 410-430 нм. Соответственно, если совместить два металла, то получится некая нелинейная комбинация одного и другого. Именно этот эффект и использовали учёные из Китая и США в своей работе, посвящённой плазмонному хамелеону и опубликованной в престижном научном журнале ACSNano.
На первый взгляд, идея кажется крайне простой. Необходимо взять упорядоченный пористый материал (например, анодированный оксид алюминия, AAO), расположить его на электроде, вырастить внутри каждой поры небольшую наночастицу золота, а сверху добавить ещё один электрод, покрытый проводящим гелем и содержащий ионы серебра.
(a-c) Схема устройства, демонстрирующая принцип работы, и микрофотографии упорядоченного массива нанопор, полученные с помощью электронного микроскопа (масштабные метки – 100 нм); (e-f) испытания первых образцов, которые могут менять цвет от красного до зелёного
Прикладывая напряжение (~1.5 В) можно довольно быстро (ведь речь идёт о наночастицах) осаждать небольшие количества серебра на островки золота внутри пор и таким образом изменять оптические свойства системы. Например, легко управлять отражением света в пределах 420 – 650 нм, что практически перекрывает весь видимый спектр. А приложение обратного напряжения позволяет переводить серебро в ионы, распределённые в геле.
Полноценная демонстрация возможностей устройства изменять цвет при приложении электрического поля: (a) спектры отражения, (b) зависимость положения максимума отражения от времени осаждения серебра (всего несколько секунд!), (с) Хроматическая диаграмма с цветами, полученными в работе
Обычно научные изыскания на этом и заканчиваются: мол, мы вот показали, что это работает, остальное не наша задача. Однако коллектив авторов решил не останавливаться на достигнутом и создал робота-хамелеона, состоящего из небольших пластин, которые изменяют цвет. Робот напичкан датчиками и способен анализировать окружающую цветовую гамму, подстраиваясь по неё.
(a-c) Созданный робот-хамелеон, который способен менять цвет, приспосабливаясь к окружающей обстановке. (d-c) Схожую технологию можно использовать и для создания «статических» дисплеев, например, для рекламных банеров
Плюс ко всему, учёные показали, что данная технология может быть успешно применена для создания «статичных» дисплеев. Они могут прийти на замену современным светодиодным панелям в сфере рекламы.
Видео, демонстрирующее движение хамелеона вдоль цветной стены, а также изменение цвета в реальном времени можно посмотреть на сайте журнала ACSNano.
Если кому-то интересно адаптировать аналогичную технологию для собственных нужд и/или заняться DIY, то интересная информация содержится в Supplementary Information к статье.
Оригинальная статья «Mechanical Chameleon through Dynamic Real-Time Plasmonic Tuning» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b07472).
Вместо заключения
И пользуясь случаем, хотелось бы отметить другую интересную особенность золотых наночастиц, особенно для тех, кто пропустил часовое видео выше. Их можно удивительно быстро и легко собирать на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей, как продемонстрировано в ролике ниже.
Из 30-40 нм частиц можно получить настоящее зеркало!
При этом наночастицы формируют плёнку, которая обладает определёнными механическими свойствами. Она не трескается, не деградирует, не теряет металлического блеска и цвета, а вместо этого тянется и деформируется, так как наночастицы внутри плёнки связаны специальными молекулами.
Больше видео также доступно на сайте журнала ACSNano.
Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)
