La figure du haut montre des molécules d'hydrogène (rouge) absorbées sur une nanoparticule de palladium, résultant en une faible diffusion de la lumière et des changements spectraux à peine détectables. La figure du bas montre une antenne en or améliorant la diffusion de la lumière et produisant un décalage spectral facile à détecter. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation du groupe Alivisatos
(PhysOrg.com) -- Des capacités techniques aussi convoitées que l'observation de processus catalytiques uniques dans des nanoréacteurs, ou la détection optique de faibles concentrations d'agents biochimiques et de gaz est un pas important vers la réalisation. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE), en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Stuttgart en Allemagne, rapportent la première démonstration expérimentale de détection de gaz améliorée par antenne au niveau d'une seule particule. En plaçant une nanoparticule de palladium sur la pointe de focalisation d'une nanoantenne en or, ils ont pu détecter clairement les changements dans les propriétés optiques du palladium lors de l'exposition à l'hydrogène.
"Nous avons démontré la détection d'hydrogène à particule unique améliorée par une antenne résonnante dans la région visible et présenté une approche de fabrication pour le positionnement d'une seule nanoparticule de palladium dans le nanofocus d'une nanoantenne en or, " dit Paul Alivisatos, le directeur de Berkeley Lab et le leader de cette recherche. "Notre concept fournit un modèle général pour l'amplification des signaux de détection plasmonique au niveau d'une particule unique et devrait ouvrir la voie à l'observation optique des réactions chimiques et des activités catalytiques dans les nanoréacteurs, et pour la biodétection locale."
Alivisatos, qui est également professeur Larry et Diane Bock de nanotechnologie à l'Université de Californie, Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article dans la revue Matériaux naturels décrivant cette recherche. L'article s'intitule "Détection de gaz améliorée par une nano-antenne dans un seul nanofocus sur mesure". Les co-auteurs de l'article avec Alivisatos étaient Laura Na Liu, Ming Tang, Mario Hentschel et Harald Giessen.
L'un des nouveaux domaines technologiques les plus en vogue aujourd'hui est la plasmonique - le confinement des ondes électromagnétiques dans des dimensions inférieures à la moitié de la longueur d'onde des photons incidents dans l'espace libre. Typiquement, cela se fait à l'interface entre les nanostructures métalliques, généralement de l'or, et un diélectrique, généralement aérien. Le confinement des ondes électromagnétiques dans ces nanostructures métalliques génère des ondes électroniques de surface appelées « plasmons ». Une adaptation de la fréquence d'oscillation entre les plasmons et les ondes électromagnétiques incidentes donne lieu à un phénomène connu sous le nom de résonance plasmonique de surface localisée (LSPR), qui peut concentrer le champ électromagnétique dans un volume inférieur à quelques centaines de nanomètres cubes. Tout objet introduit dans ce champ localement confiné - appelé nanofocus - influencera le LSPR d'une manière pouvant être détectée par microscopie à fond noir.
"La nanofocalisation a des implications immédiates pour la détection plasmonique, " dit Laura Na Liu, auteur principal de l'article de Nature Materials, qui était à l'époque où le travail était effectué, membre du groupe de recherche d'Alivisatos, mais qui fait maintenant partie de l'Université Rice. "Les nanostructures métalliques avec des coins et des bords pointus qui forment une pointe pointue sont particulièrement favorables à la détection plasmonique car les intensités de champ des ondes électromagnétiques sont si fortement améliorées sur un volume de détection extrêmement petit."
La détection plasmonique est particulièrement prometteuse pour la détection de gaz inflammables tels que l'hydrogène, où l'utilisation de capteurs nécessitant des mesures électriques pose des problèmes de sécurité en raison de la menace potentielle d'étincelles. Hydrogène, par exemple, peut s'enflammer ou exploser à des concentrations de seulement quatre pour cent. Le palladium a été considéré comme un candidat de choix pour la détection plasmonique de l'hydrogène car il absorbe facilement et rapidement l'hydrogène qui modifie ses propriétés électriques et diélectriques. Cependant, les LSPR des nanoparticules de palladium donnent de larges profils spectraux qui rendent la détection des changements extrêmement difficile.
Il s'agit d'une image de microscopie électronique à balayage montrant une nanoparticule de palladium avec une antenne en or pour améliorer la détection plasmonique. Image reproduite avec l'aimable autorisation du groupe Alivisatos
"Dans notre schéma amélioré d'antenne résonnante, nous utilisons la lithographie à double faisceau d'électrons en combinaison avec une procédure de double lift-off pour positionner avec précision une seule nanoparticule de palladium dans le nanofocus d'une nanoantenne en or, " dit Liu. " Les champs proches fortement améliorés du plasmon de particules d'or peuvent détecter le changement dans la fonction diélectrique de la nanoparticule de palladium proximale lorsqu'elle absorbe ou libère de l'hydrogène. La lumière diffusée par le système est collectée par un microscope à fond noir avec un spectromètre attaché et le changement LSPR est lu en temps réel."
Alivisatos, Liu et leurs co-auteurs ont découvert que l'effet d'amélioration de l'antenne pouvait être contrôlé en modifiant la distance entre la nanoparticule de palladium et l'antenne en or, et en changeant la forme de l'antenne.
"En amplifiant les signaux de détection au niveau d'une seule particule, nous éliminons les caractéristiques statistiques et moyennes inhérentes aux mesures d'ensemble, " dit Liu. " De plus, notre technique de détection plasmonique améliorée par antenne comprend un schéma non invasif qui est biocompatible et peut être utilisé dans des environnements aqueux, le rendant applicable à une variété de matériaux physiques et biochimiques.
Par exemple, en remplaçant la nanoparticule de palladium par d'autres nanocatalyseurs, comme le ruthénium, platine, ou magnésium, Liu dit que leur système de détection plasmonique amélioré par antenne peut être utilisé pour surveiller la présence de nombreux autres gaz importants en plus de l'hydrogène, y compris le dioxyde de carbone et les oxydes nitreux. Cette technique offre également une alternative prometteuse de détection plasmonique à la détection fluorescente de la catalyse, qui dépend de la tâche difficile de trouver les fluorophores appropriés. La détection plasmonique améliorée par antenne offre également un potentiel pour l'observation d'événements chimiques ou biologiques uniques.
"Nous pensons que notre technique de détection améliorée par antenne peut servir de pont entre la plasmonique et la biochimie, " dit Liu. " La détection plasmonique offre un outil unique pour sonder optiquement les processus biochimiques qui sont optiquement inactifs dans la nature. En outre, puisque les nanostructures plasmoniques en or ou en argent ne blanchissent pas et ne clignent pas, ils permettent une observation continue, une capacité essentielle pour la surveillance in-situ du comportement biochimique."
