A taille humaine, le contrôle de la température est un concept simple. Les tortues prennent le soleil pour se réchauffer. Pour refroidir une tarte fraîchement sortie du four, placez-le sur un plan de travail à température ambiante.

À l'échelle nanométrique, à des distances inférieures à 1/100e de la largeur des cheveux humains les plus fins, le contrôle de la température est beaucoup plus difficile. Les distances à l'échelle nanométrique sont si petites que les objets deviennent facilement couplés thermiquement :si un objet chauffe jusqu'à une certaine température, son voisin aussi.

Lorsque les scientifiques utilisent un faisceau de lumière comme source de chaleur, un défi supplémentaire :grâce à la diffusion de la chaleur, les matériaux dans le trajet du faisceau chauffent jusqu'à approximativement la même température, rendant difficile la manipulation des profils thermiques des objets dans le faisceau. Les scientifiques n'ont jamais été capables d'utiliser la lumière seule pour façonner et contrôler activement les paysages thermiques à l'échelle nanométrique.

Au moins, pas jusqu'à maintenant.

Dans un article publié en ligne le 30 juillet par la revue ACS Nano , une équipe de chercheurs rapporte avoir conçu et testé un système expérimental qui utilise un laser proche infrarouge pour chauffer activement deux antennes nanotiges en or, des tiges métalliques conçues et construites à l'échelle nanométrique, à différentes températures. Les nanotiges sont si proches les unes des autres qu'elles sont couplées à la fois électromagnétiquement et thermiquement. Pourtant l'équipe, dirigé par des chercheurs de l'Université de Washington, Université Rice et Université Temple, des différences de température mesurées entre les tiges allant jusqu'à 20 degrés Celsius. En changeant simplement la longueur d'onde du laser, ils pourraient également changer quelle nanotige était la plus froide et laquelle était la plus chaude, même si les tiges étaient faites du même matériau.

"Si vous placez deux objets similaires l'un à côté de l'autre sur une table, normalement, vous vous attendriez à ce qu'ils soient à la même température. Il en est de même à l'échelle nanométrique, " a déclaré l'auteur correspondant principal David Masiello, professeur de chimie à l'UW et membre du corps professoral du Molecular &Engineering Sciences Institute et de l'Institute for Nano-Engineered Systems. "Ici, on peut exposer deux objets couplés de même composition matérielle au même faisceau, et l'un de ces objets sera plus chaud que l'autre."

L'équipe de Masiello a effectué la modélisation théorique pour concevoir ce système. Il s'est associé aux auteurs co-correspondants Stephan Link, professeur de chimie et de génie électrique et informatique à l'Université Rice, et Katherine Willets, professeur agrégé de chimie à Temple University, pour le construire et le tester.

Leur système se composait de deux nanotiges en or, l'une de 150 nanomètres de long et l'autre de 250 nanomètres de long, ou environ 100 fois plus fin que les cheveux humains les plus fins. Les chercheurs ont placé les nanotiges rapprochées, bout à bout sur une lame de verre entourée de glycérol.

Ils ont choisi l'or pour une raison précise. En réponse à des sources d'énergie comme un laser proche infrarouge, les électrons dans l'or peuvent « osciller » facilement. Ces oscillations électroniques, ou résonances plasmoniques de surface, convertir efficacement la lumière en chaleur. Bien que les deux nanotiges soient en or, leurs différentes polarisations plasmoniques dépendantes de la taille signifiaient qu'ils avaient différents modèles d'oscillations électroniques. L'équipe de Masiello a calculé que, si les plasmons de nanotiges oscillaient avec des phases identiques ou opposées, ils pourraient atteindre des températures différentes, contrecarrant les effets de la diffusion thermique.

Les groupes de Link et Willets ont conçu le système expérimental et l'ont testé en projetant un laser proche infrarouge sur les nanotiges. Ils ont étudié l'effet du faisceau à deux longueurs d'onde - une pour faire osciller les plasmons des nanotiges avec la même phase, un autre pour la phase opposée.

L'équipe n'a pas pu mesurer directement la température de chaque nanotige à l'échelle nanométrique. Au lieu, ils ont collecté des données sur la façon dont les nanotiges chauffées et le glycérol environnant ont diffusé les photons d'un faisceau de lumière verte séparé. L'équipe de Masiello a analysé ces données et a découvert que les nanotiges réfractaient les photons du faisceau vert différemment en raison des différences de température à l'échelle nanométrique entre les nanotiges.

"Cette mesure indirecte indiquait que les nanotiges avaient été chauffées à différentes températures, même s'ils étaient exposés au même faisceau proche infrarouge et étaient suffisamment proches pour être couplés thermiquement, " a déclaré Claire West, co-auteur principal, un doctorant UW dans le département de chimie.

L'équipe a également constaté que, en changeant la longueur d'onde de la lumière proche infrarouge, ils pourraient changer quelle nanotige - courte ou longue - chauffe le plus. Le laser pourrait essentiellement agir comme un "commutateur" accordable, " changer la longueur d'onde pour modifier quelle nanotige était la plus chaude. Les différences de température entre les nanotiges variaient également en fonction de leur distance, mais atteint jusqu'à 20 degrés Celsius au-dessus de la température ambiante.

Les découvertes de l'équipe ont une gamme d'applications basées sur le contrôle de la température à l'échelle nanométrique. Par exemple, les scientifiques pourraient concevoir des matériaux qui contrôlent photothermiquement les réactions chimiques avec une précision à l'échelle nanométrique, ou des canaux microfluidiques déclenchés par la température pour filtrer de minuscules molécules biologiques.

Les chercheurs travaillent à concevoir et tester des systèmes plus complexes, tels que des grappes et des réseaux de nanotiges. Ceux-ci nécessitent une modélisation et des calculs plus complexes. Mais compte tenu des progrès réalisés à ce jour, Masiello est optimiste quant au fait que ce partenariat unique entre les groupes de recherche théoriques et expérimentales continuera de progresser.

"C'était un travail d'équipe, et les résultats étaient des années dans la fabrication, mais ça a marché, " dit Masiello.