Répondant à une question vieille d'un demi-siècle, les ingénieurs de Stanford ont déterminé de manière concluante comment les oscillations électroniques collectives, appelés plasmons, se comportent dans des particules métalliques individuelles aussi petites que quelques nanomètres de diamètre. Ces connaissances pourraient ouvrir de nouvelles voies en nanotechnologie allant de la catalyse solaire à la thérapeutique biomédicale.

Le phénomène physique des résonances plasmoniques dans les petites particules métalliques est utilisé depuis des siècles. Ils sont visibles dans les teintes vibrantes des grands vitraux du monde. Plus récemment, Les résonances plasmoniques ont été utilisées par les ingénieurs pour développer de nouvelles, traitements du cancer activés par la lumière et pour améliorer l'absorption de la lumière dans le photovoltaïque et la photocatalyse.

"Les vitraux de la cathédrale Notre-Dame et de la chapelle de Stanford tirent leur couleur de nanoparticules métalliques incrustées dans le verre. Lorsque les vitraux sont éclairés, les nanoparticules diffusent des couleurs spécifiques en fonction de la taille et de la géométrie de la particule », a déclaré Jennifer Dionne, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford et auteur principal d'un nouvel article sur les résonances plasmoniques à paraître dans la revue La nature . Dans l'étude, l'équipe d'ingénieurs rapporte l'observation directe des résonances plasmoniques de particules métalliques individuelles mesurant jusqu'à un nanomètre de diamètre, soit quelques atomes de diamètre.

"Pour les particules inférieures à une dizaine de nanomètres de diamètre, les résonances plasmoniques sont mal comprises, " a déclaré Jonathan Scholl, doctorant au laboratoire Dionne et premier auteur de l'article. "Cette classe de nanoparticules métalliques de taille quantique a été largement sous-utilisée. L'exploration de leur nature dépendante de la taille pourrait ouvrir des applications intéressantes à l'échelle nanométrique."

Débat de longue date

La science des minuscules particules métalliques a laissé les physiciens et les ingénieurs perplexes pendant des décennies. En dessous d'un certain seuil, sous forme de particules métalliques proches de l'échelle quantique — environ 10 nanomètres de diamètre — la physique classique s'effondre. Les particules commencent à démontrer des propriétés physiques et chimiques uniques que les homologues en vrac des mêmes matériaux n'ont pas. Une nanoparticule d'argent mesurant quelques atomes de diamètre, par exemple, réagira aux photons et aux électrons d'une manière profondément différente d'une particule plus grosse ou d'une plaque d'argent.

En illustrant clairement les détails de cette transition classique-quantique, Scholl et Dionne ont poussé le domaine de la plasmonique dans un nouveau domaine qui pourrait avoir des conséquences durables pour les processus catalytiques tels que la photosynthèse artificielle, la recherche et le traitement du cancer, et l'informatique quantique.

"Les particules à cette échelle sont plus sensibles et plus réactives que les matériaux en vrac, " a déclaré Dionne. "Mais nous n'avons pas été en mesure de tirer pleinement parti de leurs propriétés optiques et électroniques sans une image complète de la science. Cet article jette les bases de nouvelles avenues de la nanotechnologie entrant dans les 100 à 10, régime de 000 atomes."

Métaux nobles

Dans les années récentes, les ingénieurs ont porté une attention particulière aux nanoparticules des métaux nobles :argent, or, palladium, platine et ainsi de suite. Ces métaux sont bien connus pour supporter des résonances plasmoniques de surface localisées, les oscillations collectives des électrons à la surface du métal en réponse à la lumière ou à un champ électrique.

D'autres propriétés physiques importantes peuvent être renforcées lorsque les plasmons sont contraints dans des espaces extrêmement petits, comme les nanoparticules étudiées par Dionne et Scholl. Le phénomène est connu sous le nom de confinement quantique.

Selon la forme et la taille de la particule, le confinement quantique peut dominer la réponse électronique et optique d'une particule. Cette recherche permet aux scientifiques, pour la première fois, pour corréler directement la géométrie d'une particule plasmonique de taille quantique - sa forme et sa taille - avec ses résonances plasmoniques.

Être debout pour en profiter

La nanotechnologie devrait bénéficier de cette nouvelle compréhension. "Nous pourrions découvrir de nouveaux dispositifs électroniques ou photoniques basés sur l'excitation et la détection de plasmons dans des particules de taille quantique. Alternativement, il pourrait y avoir des opportunités en catalyse, optique quantique, et bio-imagerie et thérapeutique, " dit Dionne.

La science médicale, par exemple, a mis au point un moyen d'utiliser des nanoparticules excitées par la lumière pour brûler les cellules cancéreuses, un processus connu sous le nom d'ablation photothermique. Les nanoparticules métalliques sont fixées à des appendices moléculaires appelés ligands qui se fixent exclusivement aux récepteurs chimiques des cellules cancéreuses. Lorsqu'il est irradié avec de la lumière infrarouge, les nanoparticules métalliques s'échauffent, brûler les cellules cancéreuses tout en laissant les tissus sains environnants intacts. Les propriétés des nanoparticules plus petites pourraient améliorer la précision et l'efficacité de ces technologies, d'autant plus qu'ils s'intègrent plus facilement dans les cellules.

Il y a de grandes promesses pour de telles petites nanoparticules en catalyse, également. Les rapports surface/volume plus élevés offerts par les nanoparticules à l'échelle atomique pourraient améliorer la division de l'eau et la photosynthèse artificielle, produisant des sources d'énergie propres et renouvelables à partir de carburants artificiels. Tirer parti des plasmons quantiques dans ces nanoparticules métalliques pourrait améliorer considérablement les taux et les efficacités catalytiques.

Aider et encourager

La capacité des chercheurs à observer des plasmons dans des particules de si petite taille a été encouragée par le puissant, microscope électronique à transmission à balayage environnemental (E-STEM) de plusieurs millions de dollars installé récemment au Centre de science et d'ingénierie à l'échelle nanométrique de Stanford, l'un des rares microscopes de ce type au monde.

L'imagerie E-STEM a été utilisée conjointement avec la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) - une technique de recherche qui mesure le changement d'énergie d'un électron lorsqu'il traverse un matériau - pour déterminer la forme et le comportement des nanoparticules individuelles. Combiné, STEM et EELS ont permis à l'équipe de résoudre de nombreuses ambiguïtés des enquêtes précédentes.

"Avec le nouveau microscope, nous pouvons résoudre des atomes individuels dans la nanoparticule, " dit Dionne, "et nous pouvons observer directement les résonances plasmoniques quantiques de ces particules."

Ai Leen Koh, chercheur au Stanford Nanocharacterization Laboratory, et co-auteur de l'article, a noté:"Même si les plasmons peuvent être sondés en utilisant à la fois la lumière et les électrons, L'excitation électronique est avantageuse en ce qu'elle nous permet d'imager la nanoparticule jusqu'au niveau atomique et d'étudier en même temps ses résonances plasmoniques."

Scholl ajouté, "Un jour, nous pourrions utiliser la technique pour observer les réactions en cours afin de mieux les comprendre et de les optimiser."

Élégant et polyvalent

Les chercheurs ont conclu en expliquant la physique de leur découverte à travers un modèle analytique élégant et polyvalent basé sur des principes de mécanique quantique bien connus.

"Techniquement parlant, nous avons créé un relativement simple, modèle numériquement léger qui décrit les systèmes plasmoniques où les théories classiques ont échoué, " dit Scholl.

Leur modèle élégant et polyvalent ouvre de nombreuses opportunités de gains scientifiques.

"Cet article représente la recherche fondamentale. Nous avons clarifié ce qui était une compréhension scientifique ambiguë et, pour la première fois, corrélait directement la géométrie d'une particule avec sa résonance plasmonique pour les particules de taille quantique, " résuma Dionne. " Et cela pourrait avoir des choses très intéressantes, et très prometteur, implications et applications."