Плазмонные наночастицы
Моделирование FDTD взаимодействия импульсной плоской волны с плазмонными наночастицами [1]

Плазмонные наночастицы — это частицы, электронная плотность которых может связываться с электромагнитным излучением с длинами волн, которые намного больше длины самой частицы, из-за природы диэлектрико - металлического интерфейса между средой и частицами: в отличие от чистого металла, где существует максимальный предел того, какой размер длины волны может быть эффективно связан в зависимости от размера материала. [2]

Что отличает эти частицы от обычных поверхностных плазмонов , так это то, что плазмонные наночастицы также демонстрируют интересные свойства рассеивания , поглощения и связи , основанные на их геометрии и относительном положении. [3] [4] Эти уникальные свойства сделали их объектом исследований во многих приложениях, включая солнечные элементы, спектроскопию, усиление сигнала для визуализации и лечение рака. [5] [6] Их высокая чувствительность также делает их хорошими кандидатами для проектирования механооптических приборов. [7]

Плазмоны — это колебания свободных электронов, которые являются следствием образования диполя в материале из-за электромагнитных волн. Электроны мигрируют в материале, чтобы восстановить его исходное состояние; однако световые волны колеблются, что приводит к постоянному смещению диполя, которое заставляет электроны колебаться с той же частотой, что и свет. Эта связь происходит только тогда, когда частота света равна или меньше плазменной частоты, и является наибольшей на плазменной частоте, которая поэтому называется резонансной частотой . Сечения рассеяния и поглощения описывают интенсивность заданной частоты, которая должна быть рассеяна или поглощена. Существует множество процессов изготовления или методов химического синтеза для получения таких наночастиц в зависимости от желаемого размера и геометрии.

Наночастицы могут образовывать кластеры (так называемые «плазмонные молекулы») и взаимодействовать друг с другом, образуя кластерные состояния. Симметрия наночастиц и распределение электронов внутри них могут влиять на тип связывания или разрыхления между наночастицами подобно молекулярным орбиталям. Поскольку свет связывается с электронами, поляризованный свет может использоваться для управления распределением электронов и изменения символа термина Малликена для неприводимого представления. Изменение геометрии наночастиц может использоваться для управления оптической активностью и свойствами системы, но поляризованный свет может также использоваться для понижения симметрии проводящих электронов внутри частиц и изменения дипольного момента кластера. Эти кластеры могут использоваться для управления светом в наномасштабе. [8]

Теория

Квазистатические уравнения, описывающие сечения рассеяния и поглощения для очень малых сферических наночастиц, следующие:

σ с с а т т = 8 π 3 к 4 Р 6 | ε п а г т я с л е − ε м е г я ты м ε п а г т я с л е + 2 ε м е г я ты м | 2 {\displaystyle {{\sigma }_{\rm {scatt}}}={\frac {8\pi }{3}}{{k}^{4}}{{R}^{6}}{{\left|{\frac {{{\varepsilon }_{\rm {частица}}}-{{\varepsilon }_{\rm {среда}}}}{{{\varepsilon }_{\rm {частица}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {среда}}}}}\right|}^{2}}}

σ а б с = 4 π к Р 3 Я ⁡ | ε п а г т я с л е − ε м е г я ты м ε п а г т я с л е + 2 ε м е г я ты м | {\displaystyle {{\sigma }_{\rm {abs}}}=4\pi k{{R}^{3}}\operatorname {Im} \left|{\frac {{{\varepsilon }_{\rm {частица}}}-{{\varepsilon }_{\rm {среда}}}}{{{\varepsilon }_{\rm {частица}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {среда}}}}}\right|}

где — волновое число электрического поля, — радиус частицы, — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрической среды , — относительная диэлектрическая проницаемость наночастицы, определяемая как к {\displaystyle к} Р {\displaystyle R} ε м е г я ты м {\displaystyle {{\varepsilon } _ {\rm {medium}}}} ε п а г т я с л е {\displaystyle {{\varepsilon}_{\rm {частица}}}}

ε п а г т я с л е = 1 − ω п 2 ω 2 + я ω γ {\displaystyle {{\varepsilon }_{\rm {particle}}}=1-{\frac {\omega _{\rm {p}}^{2}}{{{\omega }^{2}} +\mathrm {i} {\omega }{\gamma }}}}

также известная как Модель Друде для свободных электронов, где — плазменная частота , — частота релаксации носителей заряда, — частота электромагнитного излучения. Это уравнение является результатом решения дифференциального уравнения для гармонического осциллятора с движущей силой, пропорциональной электрическому полю, которому подвергается частица. Для более подробного вывода см. поверхностный плазмон . ω п {\displaystyle {{\omega }_{\rm {p}}}} γ {\displaystyle {\гамма}} ω {\displaystyle \омега}

Логически следует, что условия резонанса для этих уравнений достигаются, когда знаменатель близок к нулю, так что

ε п а г т я с л е + 2 ε м е г я ты м ≈ 0 {\displaystyle {{\varepsilon }_{\rm {частица}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {среда}}}\approx 0}

При выполнении этого условия поперечные сечения максимальны.

Эти сечения предназначены для отдельных сферических частиц. Уравнения изменяются, когда частицы не являются сферическими или связаны с одной или несколькими другими наночастицами, например, когда изменяется их геометрия. Этот принцип важен для нескольких приложений.

Строгий электродинамический анализ плазменных колебаний в сферической металлической наночастице конечного размера был выполнен в [9] .

Приложения

Плазмонные солнечные элементы

Благодаря своей способности рассеивать свет обратно в фотоэлектрическую структуру и низкому поглощению, плазмонные наночастицы изучаются как метод повышения эффективности солнечных элементов. [10] [5] Принуждение диэлектрика поглощать больше света повышает эффективность. [11]

Плазмоны могут возбуждаться оптическим излучением и вызывать электрический ток от горячих электронов в материалах, изготовленных из золотых частиц и светочувствительных молекул порфина , точных размеров и определенных узоров. Длина волны, на которую реагирует плазмон, является функцией размера и расстояния между частицами. Материал изготавливается с использованием сегнетоэлектрической нанолитографии . По сравнению с обычным фотовозбуждением , материал производит в три-десять раз больше тока. [12] [13]

Спектроскопия

За последние 5 лет плазмонные наночастицы были исследованы как метод спектроскопии высокого разрешения . Одна группа использовала 40 нм золотые наночастицы, которые были функционализированы таким образом, что они связывались бы специфически с рецепторами эпидермального фактора роста, чтобы определить плотность этих рецепторов на клетке. Этот метод основан на том факте, что эффективная геометрия частиц изменяется, когда они появляются в пределах одного диаметра частицы (40 нм) друг от друга. В этом диапазоне количественная информация о плотности EGFR в клеточной мембране может быть получена на основе сдвига резонансной частоты плазмонных частиц. [14]

Лечение рака

Плазмонные наночастицы продемонстрировали широкий потенциал для создания инновационных методов лечения рака. [15] Несмотря на это, плазмонные наноматериалы до сих пор не используются в клинической практике из-за связанной с ними стойкости металла. [15] Предварительные исследования показывают, что некоторые наноматериалы, среди которых золотые наностержни [16] и сверхмалые наноструктуры [17] , могут преобразовывать инфракрасный лазерный свет в локализованное тепло, также в сочетании с другими известными методами лечения рака . [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Гуэй, Жан-Мишель; Лесина, Антонино Кала; Коте, Гийом; Чаррон, Мартин; и др. (2017). «Лазерно-индуцированные плазмонные цвета на металлах». Природные коммуникации . 8 : 16095. arXiv : 1609.02874 . Бибкод : 2017NatCo...816095G. дои : 10.1038/ncomms16095 . ПМК  5520110 . ПМИД  28719576.
  2. ^ Юстис, Сьюзи; Эль-Сайед, Мостафа А. (2006). «Почему золотые наночастицы более ценны, чем красивое золото: плазмонный резонанс на поверхности благородных металлов и его усиление излучательных и неизлучательных свойств нанокристаллов различных форм». Chemical Society Reviews . 35 (3): 209–217. doi :10.1039/b514191e. PMID  16505915.
  3. ^ Чен, Тяньхун; Пурманд, Махшид; Фейзпур, Амин; Кушман, Брэдфорд; Рейнхард, Бьёрн М. (3 июля 2013 г.). «Настройка плазмонной связи в самоорганизующихся одномерных цепях наночастиц Au посредством одновременного контроля размера и зазора». The Journal of Physical Chemistry Letters . 4 (13): 2147–2152. doi :10.1021/jz401066g. PMC 3766581. PMID  24027605 . 
  4. ^ Zeng, Shuwen; Yu, Xia; Law, Wing-Cheung; Zhang, Yating; Hu, Rui; Dinh, Xuan-Quyen; Ho, Ho-Pui; Yong, Ken-Tye (январь 2013 г.). «Зависимость размера резонанса поверхностного плазмона, усиленного Au NP, на основе дифференциального фазового измерения». Датчики и приводы B: Химические . 176 : 1128–1133. doi :10.1016/j.snb.2012.09.073.
  5. ^ ab Yu, Peng; Yao, Yisen; Wu, Jiang; Niu, Xiaobin; Rogach, Андрей Л.; Wang, Zhiming (9 августа 2017 г.). "Влияние плазмонных металлических наночастиц с ядром - диэлектрической оболочкой на усиление широкополосного поглощения света в тонкопленочных солнечных элементах". Scientific Reports . 7 (1): 7696. Bibcode :2017NatSR...7.7696Y. doi :10.1038/s41598-017-08077-9. PMC 5550503 . PMID  28794487. 
  6. ^ Wu, Jiang; Yu, Peng; Susha, Andrei S.; Sablon, Kimberly A.; Chen, Haiyuan; Zhou, Zhihua; Li, Handong; Ji, Haining; Niu, Xiaobin; Govorov, Alexander O.; Rogach, Андрей L.; Wang, Zhiming M. (апрель 2015 г.). «Повышение эффективности широкополосной связи в квантовых точках солнечных ячеек в сочетании с многоострыми плазмонными нанозвездами». Nano Energy . 13 : 827–835. doi :10.1016/j.nanoen.2015.02.012. S2CID  98282021.
  7. ^ Hurtado-Aviles, EA; Torres, JA; Trejo-Valdez, M.; Urriolagoitia-Sosa, G.; Villalpando, I.; Torres-Torres, C. (28 октября 2017 г.). "Акустоплазмонное зондирование с помощью нелинейных оптических взаимодействий в биметаллических наночастицах Au-Pt". Micromachines . 8 (11): 321. doi : 10.3390/mi8110321 . PMC 6189711 . PMID  30400510. 
  8. ^ Чунтонов, Лев; Харан, Гилад (8 июня 2011 г.). «Тримерные плазмонные молекулы: роль симметрии». Nano Letters . 11 (6): 2440–2445. Bibcode : 2011NanoL..11.2440C. doi : 10.1021/nl2008532. PMID  21553898.
  9. ^ Беляев, BA; Тюрнев, VV (август 2016). «Резонансы электромагнитных колебаний в сферической металлической наночастице». Microwave and Optical Technology Letters . 58 (8): 1883–1886. doi :10.1002/mop.29930.
  10. ^ Юэ, Цзэнцзи; Цай, Боюань; Ван, Лань; Ван, Сяолинь; Гу, Минь (4 марта 2016 г.). "Внутренне ядро-оболочечные плазмонные диэлектрические наноструктуры со сверхвысоким показателем преломления". Science Advances . 2 (3): e1501536. Bibcode :2016SciA....2E1536Y. doi :10.1126/sciadv.1501536. PMC 4820380 . PMID  27051869. 
  11. ^ Ферри, Вивиан Э.; Мандей, Джереми Н.; Атуотер, Гарри А. (16 ноября 2010 г.). «Конструктивные соображения для плазмонной фотоэлектрики». Advanced Materials . 22 (43): 4794–4808. Bibcode :2010AdM....22.4794F. doi :10.1002/adma.201000488. PMID  20814916.
  12. ^ "Новый метод получения энергии из света". Kurzweil Accelerating Intelligence . Библиотека Kurzweil. 12 сентября 2013 г. Получено 9 февраля 2020 г.
  13. ^ Conklin, David; Nanayakkara, Sanjini; Park, Tae-Hong; Lagadec, Marie F.; Stecher, Joshua T.; Chen, Xi; Therien, Michael J.; Bonnell, Dawn A. (28 мая 2013 г.). «Использование плазмон-индуцированных горячих электронов в молекулярных электронных устройствах». ACS Nano . 7 (5): 4479–4486. doi :10.1021/nn401071d. PMID  23550717.
  14. ^ Ван, Цзин; Борискина, Светлана В.; Ван, Хонгюн; Рейнхард, Бьёрн М. (23 августа 2011 г.). «Освещение плотности рецепторов эпидермального фактора роста на филоподиях посредством плазмонного сопряжения». ACS Nano . 5 (8): 6619–6628. doi :10.1021/nn202055b. PMC 3204364 . PMID  21761914. 
  15. ^ ab Cassano, Domenico; Pocoví-Martínez, Salvador; Voliani, Valerio (17 января 2018 г.). «Подход с использованием сверхмалых частиц в наночастицах: внедрение металлических наноматериалов в клиники». Bioconjugate Chemistry . 29 (1): 4–16. doi : 10.1021/acs.bioconjchem.7b00664 . PMID  29186662.
  16. ^ CS, Rejiya; Kumar, Jatish; V., Raji; M., Vibin; Abraham, Annie (февраль 2012 г.). «Лазерная иммунотерапия с золотыми наностержнями вызывает селективное уничтожение опухолевых клеток». Pharmacological Research . 65 (2): 261–269. doi :10.1016/j.phrs.2011.10.005. PMID  22115972.
  17. ^ Кассано, Доменико; Санти, Мелисса; Д'Оутилия, Франческа; Мапанао, Ана Катрина; Луин, Стефано; Волиани, Валерио (2019). «Фототермический эффект с помощью выделяемых сверхмалых наноархитектур, реагирующих на БИК-диапазон». Горизонты материалов . 6 (3): 531–537. дои : 10.1039/C9MH00096H . hdl : 11384/77439 .
  18. ^ Мапанао, Ана Катрина; Санти, Мелисса; Волиани, Валерио (январь 2021 г.). «Комбинированное химиофототермическое лечение трехмерных плоскоклеточных карцином головы и шеи с помощью золотых наноархитектур». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 582 (Pt B): 1003–1011. Bibcode : 2021JCIS..582.1003M. doi : 10.1016/j.jcis.2020.08.059. PMID  32927167. S2CID  221723222.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Плазмонные_наночастицы&oldid=1231020335"