Des scientifiques de l'Université Rice ont découvert comment modifier subtilement la structure intérieure des nanotiges semi-creuses d'une manière qui modifie leur interaction avec la lumière, et parce que les changements sont réversibles, la méthode pourrait former la base d'un commutateur à l'échelle nanométrique avec un potentiel énorme.

"Ce n'est pas 0-1, c'est le 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10, " a déclaré Emilie Ringe, scientifique en matériaux de riz, scientifique principal du projet, qui est détaillé dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano . "Vous pouvez différencier plusieurs états plasmoniques dans une seule particule. Cela vous donne une sorte de version analogique des états quantiques, mais sur une plus grande, échelle plus accessible."

Ringe et ses collègues ont utilisé un faisceau d'électrons pour déplacer l'argent d'un endroit à un autre à l'intérieur de nanoparticules d'or et d'argent, quelque chose comme un Etch A Sketch à l'échelle nanométrique. Le résultat est un commutateur optique reconfigurable qui peut constituer la base d'un nouveau type de mémoire informatique à états multiples, capteur ou catalyseur.

À environ 200 nanomètres de long, 500 des tiges métalliques placées bout à bout couvriraient la largeur d'un cheveu humain. Cependant, ils sont grands par rapport aux circuits intégrés modernes. Leurs capacités multi-états les font ressembler davantage à des codes à barres reprogrammables qu'à de simples bits de mémoire, elle a dit.

"Personne n'a été capable de changer de manière réversible la forme d'une seule particule avec le niveau de contrôle que nous avons, donc nous sommes vraiment excités à ce sujet, " a dit Ringe.

La modification de la structure interne d'une nanoparticule modifie également sa réponse plasmonique externe. Les plasmons sont les ondulations électriques qui se propagent à la surface des matériaux métalliques lorsqu'elles sont excitées par la lumière, et leurs oscillations peuvent être facilement lues avec un spectromètre - ou même l'œil humain - car elles interagissent avec la lumière visible.

Les chercheurs de Rice ont découvert qu'ils pouvaient reconfigurer les noyaux de nanoparticules avec une précision extrême. Cela signifie que les mémoires faites de nanotiges n'ont pas besoin d'être simplement activées-désactivées, Ringe a dit, car une particule peut être programmée pour émettre de nombreux motifs plasmoniques distincts.

La découverte a eu lieu lorsque Ringe et son équipe, qui gère le laboratoire avancé de microscopie électronique de Rice, ont été posées par son collègue et coauteur Denis Boudreau, professeur à l'Université Laval à Québec, pour caractériser des nanotiges creuses constituées principalement d'or mais contenant de l'argent.

"La plupart des nanoshells ont des fuites, " dit Ringe. " Ils ont des trous d'épingle. Mais nous avons réalisé que ces nanotiges étaient exemptes de défauts et contenaient des poches d'eau qui étaient piégées à l'intérieur lors de la synthèse des particules. Nous avons pensé :nous avons quelque chose ici."

Ringe et l'auteur principal de l'étude, Le chercheur scientifique sur le riz Sadegh Yazdi, rapidement réalisé comment ils pourraient manipuler l'eau. "Évidemment, c'est difficile de faire de la chimie là-bas, parce que vous ne pouvez pas mettre des molécules dans une nanocoquille scellée. Mais nous pourrions mettre des électrons dedans, " elle a dit.

La focalisation d'un faisceau d'électrons subnanométrique sur la cavité intérieure a divisé l'eau et inséré des électrons solvatés – des électrons libres qui peuvent exister dans une solution. "Les électrons ont réagi directement avec les ions d'argent dans l'eau, les tirant à la poutre pour former de l'argent, " dit Ringe. Le liquide maintenant pauvre en argent s'éloigna du faisceau, et ses ions d'argent ont été reconstitués par une réaction de sous-produits de séparation de l'eau avec l'argent solide dans d'autres parties de la tige.

"En fait, nous déplacions l'argent dans la solution, le reconfigurer, " dit-elle. " Parce que c'est un système fermé, nous ne perdions rien et nous ne gagions rien. Nous ne faisions que le déplacer, et nous pouvions le faire autant de fois que nous le souhaitions."

Les chercheurs ont ensuite pu cartographier les propriétés du champ proche induit par le plasmon sans perturber la structure interne, et c'est à ce moment-là qu'ils ont réalisé les implications de leur découverte.

"Nous avons créé différentes formes à l'intérieur des nanotiges, et parce que nous sommes spécialisés dans la plasmonique, nous avons cartographié les plasmons et cela s'est avéré avoir un très bel effet, " a déclaré Ringe. " Nous avons essentiellement vu différentes distributions de champ électrique à différentes énergies pour différentes formes. " Les résultats numériques fournis par les collaborateurs Nicolas Large de l'Université du Texas à San Antonio et George Schatz de la Northwestern University ont aidé à expliquer l'origine des modes et comment la présence d'une poche remplie d'eau a créé une multitude de plasmons, elle a dit.

Le prochain défi est de tester des nanocoquilles d'autres formes et tailles, et de voir s'il existe d'autres moyens d'activer leurs potentiels de commutation. Ringe soupçonne que les faisceaux d'électrons peuvent rester le meilleur et peut-être le seul moyen de catalyser des réactions à l'intérieur des particules, et elle est pleine d'espoir.

"L'utilisation d'un faisceau d'électrons n'est en fait pas aussi technologiquement sans importance qu'on pourrait le penser, " dit-elle. " Les faisceaux d'électrons sont très faciles à générer. Et oui, les choses doivent être dans le vide, mais sinon, les gens ont généré des faisceaux d'électrons pendant près de 100 ans. Je suis sûr qu'il y a 40 ans, les gens disaient, « Tu vas mettre un laser dans un lecteur de disque ? C'est fou!' Mais ils ont réussi à le faire.

"Je ne pense pas qu'il soit impossible de miniaturiser la technologie des faisceaux d'électrons. Les humains sont bons pour déplacer les électrons et l'électricité. Nous l'avons compris il y a longtemps, " a dit Ringe.

La recherche devrait déclencher l'imagination des scientifiques travaillant à la création de machines et de processus à l'échelle nanométrique, elle a dit.

"C'est une unité reconfigurable à laquelle vous pouvez accéder avec la lumière, " dit-elle. " Lire quelque chose avec la lumière est beaucoup plus rapide que lire avec des électrons, donc je pense que cela va attirer l'attention des gens qui pensent aux systèmes dynamiques et des gens qui pensent à la façon d'aller au-delà de la nanotechnologie actuelle. Cela ouvre vraiment un nouveau champ."