Le plus gros n'est pas toujours le meilleur, mais voici quelque chose qui commence petit et s'améliore à mesure qu'il grandit.

Il suffit de l'allumer et de voir.

Une équipe dirigée par les chimistes de l'Université Rice Christy Landes et Stephan Link, tous deux associés au Smalley-Curl Institute, ont fabriqué des particules hybrides qui combinent les propriétés de récolte de lumière imbattables des nanoparticules plasmoniques avec la flexibilité des revêtements polymères catalytiques. Leurs travaux pourraient aider à alimenter des applications plasmoniques recherchées de longue date en électronique, imagerie, détection et médecine.

Les plasmons sont des ondulations détectables d'énergie créées à la surface de certains métaux lorsqu'elles sont excitées par la lumière ou d'autres apports. Les nanoantennes sont des morceaux microscopiques de ces métaux, comme l'or, argent et aluminium. Parce qu'ils sont sensibles à des intrants spécifiques en fonction de leur taille, forme et type, ils sont accordables et donc utiles comme capteurs, agents de bio-imagerie et même comme agents thérapeutiques.

L'objectif des auteurs principaux Emily Searles, un étudiant diplômé en chimie, et Sean Collins, un ancien boursier postdoctoral Carl et Lillian Illig à Rice, était de créer des nanoantennes hybrides avec un transfert d'énergie maximal de leurs noyaux métalliques à un revêtement polymère.

Ils ont trouvé un moyen de revêtir des nanoparticules d'or sur un support électrochimique avec un matériau photosensible, polymère à base de nickel. Lorsqu'il est déclenché par la lumière, l'énergie des plasmons de l'or s'écoule dans le revêtement tandis que le potentiel appliqué dans la cellule électrochimique induit une nouvelle polymérisation à partir des monomères en solution, doubler la taille du revêtement. L'hybride résultant amortit la diffusion de la lumière par les plasmons en transférant de l'énergie dans la coque polymère.

"L'espoir est que parce que nous avons mis l'énergie dans le polymère, nous pouvons maintenant exploiter cette énergie pour réagir avec d'autres molécules à la surface de l'interface molle, " a déclaré Searles. " Il n'y a pas de réactions incluses dans ce document, mais c'est là que nous voulons aller."

L'étude paraît dans la revue American Chemical Society ACS Nano .

Les particules de polymère d'or étudiées mesuraient environ 35 x 85 nanomètres avant la polymérisation et le double après. À leur apogée dans les expériences et les simulations, ils ont fourni une efficacité de 50% dans le transfert d'énergie de la nanoparticule au revêtement, 20% de mieux que l'indice de référence précédent.

Les expériences consistaient à placer des particules individuelles enrobées sur une électrode d'oxyde d'indium et d'étain sous un microscope d'imagerie hyperspectrale à fond noir pour enregistrer leurs spectres de diffusion.

Les chercheurs connaissaient deux voies possibles pour transférer l'énergie lumineuse entre les métaux et le revêtement polymère :le transfert d'énergie de charge et de résonance.

"Ces nouveaux hybrides, exploiter les voies de transfert d'énergie, pourrait résoudre deux défis actuels avec la photocatalyse plasmonique, " dit Link. " D'abord, les efficacités sont souvent faibles car le transfert de charge est lent par rapport à d'autres procédés concurrents.

"Seconde, le transfert de charge nécessite généralement une contre-réaction sacrificielle ou le catalyseur est empoisonné avec le temps, ", a-t-il déclaré. "Ces hybrides basés sur le transfert d'énergie éliminent le besoin d'une réaction sacrificielle car le transfert d'électrons et de trous se produit simultanément."

Le premier défi consistait à déterminer quel polymère était le mieux adapté pour acheminer l'énergie d'ici à là.

"Les nanoantennes et le polymère se ressemblent beaucoup si vous mesurez simplement le spectre lumineux qu'elles absorbent, " dit Collins, maintenant ingénieur en procédés de lithographie chez Intel.

"Toutefois, ils absorbent en fait la lumière de manières complètement différentes et l'astuce consiste à faire fonctionner ces deux mécanismes ensemble. La nanoantenne jette un énorme filet pour attirer l'énergie lumineuse et partage la majeure partie de la capture avec le polymère affamé, donnant au polymère beaucoup plus d'énergie qu'il ne pourrait jamais en récolter seul."

L'équipe a déterminé le dipôle de résonance plasmonique dans l'or et les transitions dipolaires électriques dans le polymère de nickel alignées lorsqu'elles sont déclenchées par la lumière, fournir un chemin pour que les porteurs de charge migrent du polymère.

"L'énergie dans le polymère se dissipe après un certain temps, mais il ne semble pas revenir à l'or, " a déclaré Searles.

Le revêtement polymère atteint un point de rendements décroissants, elle a dit. "Nous avons découvert qu'il y a une sorte d'endroit heureux où vous n'allez plus voir de transfert d'énergie, " a déclaré Searles. " Le polymère que vous ajoutez est trop éloigné de la nanoparticule. "

Toutes les variables entre l'entrée de lumière, La configuration des nanoparticules et le polymère occuperont Searles pendant des années alors qu'elle recherche des applications pratiques.

"Le but est de pouvoir créer une bibliothèque de ces systèmes, " dit-elle. " Selon l'application, nous voulons déplacer le spectre pour avoir l'efficacité énergétique la plus élevée. Il y a beaucoup de choses différentes à régler, avec certitude."

Landes a souligné l'importance d'une équipe collaborative ainsi que la capacité d'associer de nouveaux outils d'imagerie et de spectroscopie au projet.

« Si nous espérons exploiter le potentiel des nouveaux nanomatériaux dans de futures applications, il est crucial de comprendre comment des processus fondamentaux tels que le transfert d'énergie déterminent les propriétés de leurs matériaux aux échelles nano et macro, " dit-elle. " De tels efforts sont plus importants que ne peuvent être accomplis par une seule méthode ou un seul laboratoire. "