Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert que les lasers pulsés (ou « non stationnaires ») pouvaient réduire le spectre de réponse des nanocoquilles d'or de 60 nanomètres de large à une bande spectrale très étroite (pic rouge), par opposition à une excitation continue ("stationnaire") par laser (pic vert). La découverte ouvre de nouvelles possibilités pour l'utilisation de nanoparticules métalliques dans des applications médicales et électroniques. Crédit : Groupe Lapotko/Université du riz
(Phys.org) - Les nanoparticules d'or plasmoniques permettent un chauffage précis à la demande. Les chercheurs de l'Université Rice ont maintenant trouvé un moyen de chauffer sélectivement diverses nanoparticules qui pourraient faire progresser leur utilisation en médecine et dans l'industrie.
Les scientifiques du riz dirigés par Dmitri Lapotko et Ekaterina Lukianova-Hleb ont montré des nanoparticules d'or communes, connu depuis le 19ème siècle sous le nom de colloïdes d'or, chauffer à des longueurs d'onde du proche infrarouge aussi étroites que quelques nanomètres lorsqu'il est frappé par de très courtes impulsions de lumière laser. L'effet surprenant rapporté dans Matériaux avancés semble être liée à l'excitation optique non stationnaire des nanoparticules plasmoniques. Les plasmons sont des électrons libres à la surface des métaux qui sont excités par l'apport d'énergie, typiquement de la lumière. Les plasmons en mouvement peuvent transformer l'énergie optique en chaleur.
"L'idée clé avec les nanoparticules d'or et la plasmonique en général est de convertir l'énergie, " Lapotko a déclaré. " Il y a deux aspects à cela:l'un est l'efficacité avec laquelle vous pouvez convertir l'énergie, et ici les nanoparticules d'or sont championnes du monde. Leur absorbance optique est environ un million de fois plus élevée que toute autre molécule dans la nature.
"Le deuxième aspect est de savoir avec quelle précision on peut utiliser le rayonnement laser pour réaliser cette conversion photothermique, " dit-il. Les particules répondent traditionnellement à de larges spectres de lumière, et peu d'entre eux se trouvent dans la précieuse région du proche infrarouge. La lumière proche infrarouge est invisible pour l'eau et, plus critique pour les applications biologiques, au tissu.
La forte réponse des nanoparticules d'or plasmoniques aux lasers pulsés (« non stationnaires ») plutôt qu'à l'excitation continue (« stationnaire ») par les lasers semble être due à l'influence des nanobulles sur les particules, selon des chercheurs de l'Université Rice. Crédit : Groupe Lapotko/Université du riz
"C'était le problème, " Lapotko a déclaré. "Toutes les nanoparticules, en commençant par les colloïdes d'or massif et en passant à plus sophistiqué, nanoshells d'or machinés, nanotiges, cages et étoiles, ont des spectres très larges, typiquement environ 100 nanomètres, ce qui signifie que nous n'étions autorisés à utiliser qu'un seul type de nanoparticule à la fois. Si nous essayions d'utiliser différents types, leurs spectres se chevauchaient et nous n'avons pas bénéficié de la haute accordabilité des lasers."
La découverte permet à des impulsions laser contrôlées d'ajuster le spectre d'absorbance des colloïdes d'or ordinaire, dit Lapotko. "Cette nouvelle approche va à l'encontre du paradigme établi qui suppose que les propriétés optiques des nanoparticules sont prédéfinies lors de leur fabrication et restent constantes lors de leur excitation optique, " il a dit.
Le laboratoire Rice a montré que des nanoparticules d'or colloïdal basiques pouvaient être efficacement activées par une courte impulsion laser à 780 nanomètres, avec une amplification de 88 fois de l'effet photothermique vu avec un laser continu. Les chercheurs ont répété leur expérience avec des amas de nanoparticules dans l'eau, dans les cellules cancéreuses vivantes et chez les animaux, avec des résultats identiques ou meilleurs :ils ont montré des pics spectraux de deux nanomètres de large. Des spectres photothermiques aussi étroits n'avaient jamais été observés pour les nanoparticules métalliques, soit individuellement, soit en grappes.
Différents types de nanoparticules – dans ce cas, coquilles, tiges et sphères solides - mélangés ensemble peuvent être activés individuellement avec une lumière laser pulsée à différentes longueurs d'onde, selon des chercheurs de l'Université Rice. La réponse plasmonique des particules accordées, renforcée par des nanobulles qui se forment à la surface, peuvent être réduits à quelques nanomètres sous un spectroscope et se distinguent facilement les uns des autres. Crédit : Groupe Lapotko/Université du riz
L'effet semble dépendre des nanobulles de vapeur qui se forment lorsque les particules chauffent le liquide dans leur environnement immédiat. Les nanobulles grandissent et éclatent en un instant. "Au lieu d'utiliser la nanoparticule comme dissipateur thermique avec un laser stationnaire, nous créons un transitoire, situation non stationnaire dans laquelle la particule interagit avec le laser incident de manière totalement différente, " Lapotko a déclaré. Il a dit que l'effet est reproductible et fonctionne avec des impulsions laser plus courtes que 100 picosecondes.
Encore mieux, une expérience avec des nanotiges et des nanoshells mixtes a révélé qu'elles répondaient aux impulsions laser avec une forte, signaux distincts à des longueurs d'onde distantes de 10 nanomètres. Cela signifie que deux ou plusieurs types de nanoparticules au même endroit peuvent être activés sélectivement à la demande.
"Les nanoparticules que nous avons utilisées n'avaient rien d'extraordinaire ; elles ont été utilisées au 19e siècle par Michael Faraday, et on croyait qu'ils ne pouvaient rien faire dans le proche infrarouge, " a-t-il dit. " C'était la principale motivation pour que les gens inventent des nanotiges, nanoshells et les autres formes. Ici, nous prouvons que ces particules peu coûteuses peuvent se comporter assez bien dans le proche infrarouge.
"C'est encore plus un phénomène qu'un mécanisme solidement établi, avec une belle base théorique, " Lapotko a déclaré. "Mais une fois pleinement clarifié, cela pourrait devenir un outil universel."
