Editar este párrafo Síntesis de nanovarillas de oro
El método de crecimiento inducido por semillas se ha convertido en el método más eficaz para sintetizar químicamente soluciones coloidales de nanovarillas de oro en fase disolvente de alta pureza. El bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) es uno de los tensioactivos más utilizados en la síntesis de nanobarras de oro.
Edite las características de las nanobarras de oro en este párrafo
Resonancia de plasmón superficial
La resonancia de plasmón superficial de las nanobarras de oro hace que dispersen y absorban la luz visible y la luz. de longitudes de onda específicas en la banda del infrarrojo cercano. Por lo tanto, la espectroscopia de extinción visible e infrarroja se puede utilizar para caracterizar las propiedades ópticas de las soluciones coloidales de nanobarras de oro, es decir, las propiedades de resonancia del plasmón superficial de las nanobarras de oro. La dispersión de campo oscuro también se usa comúnmente para caracterizar las propiedades de dispersión de la luz causadas por vibraciones de plasmones en la superficie de nanobarras de oro individuales.
Estructura morfológica
Las nanobarras de oro son nanopartículas de oro en forma de varilla con una longitud ajustable continuamente entre 20 nm y 200 nm y un ancho entre 5 nm y 100 nm. La microscopía electrónica de barrido y la microscopía electrónica de transmisión se utilizan comúnmente para caracterizar la morfología y estructura de las nanobarras de oro. Entre ellos, la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución se puede utilizar para caracterizar la estructura reticular y la distribución del plano cristalino de la superficie de las nanobarras de oro.
Estructura de la superficie del cristal
Las nanobarras de oro estabilizadas con bromuro de cetiltrimetilamonio pueden exhibir caras de cristal de alto índice en agua. Su actividad química es mucho mayor que la de las nanopartículas de oro rodeadas por otros planos cristalinos de bajo índice. Las nanobarras de oro rodeadas por planos cristalinos de alto índice también pueden servir como plantillas para inducir la formación de planos cristalinos de paladio de alto índice. Los planos cristalinos de paladio de alto índice resultantes tienen una actividad catalítica extremadamente alta y pueden usarse en catalización de paso alto. Acoplamientos Suzuki. [2]
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Aplicaciones en ciencias de la vida
1 Diagnóstico in vitro: superficie basada en nanobarras de oro Biosensores desarrollados. con propiedades de resonancia de plasmón se puede utilizar para diagnósticos in vitro en biomedicina. Consulte "Aplicaciones en sensores" a continuación para obtener más detalles. [3] 2. Imágenes in vivo: las nanobarras de oro tienen una fuerte dispersión de la luz en la banda del infrarrojo cercano, mientras que el fondo de dispersión de los organismos en esta banda es débil, lo que hace que las nanobarras de oro puedan usarse como agentes de contraste de bioimagen basados en la dispersión de la luz. Estas excelentes propiedades hacen que las nanobarras de oro sean superiores a los tintes tradicionales o a los tintes basados en puntos cuánticos semiconductores debido a su alta estabilidad y baja toxicidad, así como al hecho de que su efecto de dispersión de la luz no tiene una ruta de falla similar a la extinción de la fluorescencia. [4] 3. Tratamiento in vivo: La extinción total de las nanobarras de oro incluye dispersión y absorción. Para las nanobarras de oro con un diámetro inferior a 10 nm, la absorción de luz es mucho mayor que la dispersión, y la energía absorbida eventualmente se convertirá en energía térmica mediante la relajación de la red. [5] Por otro lado, para los organismos, la radiación en la banda del infrarrojo cercano tiene un efecto de ventana. La radiación en esta banda puede penetrar los tejidos biológicos con muy poca pérdida. Por lo tanto, las nanobarras de oro se pueden utilizar para fabricar agentes terapéuticos fototérmicos con una sección transversal de alta absorción de luz y una excelente eficiencia de conversión fototérmica en la banda del infrarrojo cercano. Al recubrir la superficie de las nanobarras de oro con una molécula de polímero que es compatible con los fluidos corporales, las nanobarras de oro pueden circular y transportarse en el cuerpo durante hasta 15 horas. Los científicos han demostrado que las nanobarras de oro y las nanoestructuras relacionadas pueden matar células cancerosas con dosis muy pequeñas de luz mediante terapia fototérmica.
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Aplicaciones en el campo de la catálisis
Bajo la misma temperatura y entorno químico y físico, las nanobarras de oro recubiertas con paladio o platino son más eficientes que los catalizadores puros de paladio o platino con la misma cantidad. Tiene mayor actividad catalítica y mejor estabilidad. Especialmente bajo la irradiación de luz (como la luz solar), las nanobarras de oro de este catalizador compuesto pueden absorber energía luminosa y convertirla en energía térmica. Esta conversión fototérmica aumenta la temperatura local en la superficie de la nanobarra de oro entre decenas y cientos de grados Celsius. Este calentamiento local permite, por un lado, activar la temperatura para la reacción catalítica en la superficie de las nanopartículas y, por otro lado, ahorra la energía necesaria para calentar todo el sistema de solución. Es un catalizador más ecológico y que ahorra más energía. Los científicos creen que las nanobarras de oro recubiertas con paladio o platino pueden tener una mayor selectividad catalítica, pero aún no se ha verificado experimentalmente si esta proposición es cierta.
Aplicaciones en sensores
1. Dispersión Raman mejorada en la superficie: las nanobarras de oro monodispersas o acopladas tienen un fuerte efecto de mejora del campo eléctrico de la superficie y pueden usarse como potenciadores de la dispersión Raman mejorada en la superficie. superficie. En comparación con los potenciadores Raman de nanopartículas de plata tradicionales, los potenciadores Raman de nanovarillas de oro tienen una mayor estabilidad física y química, un tiempo de almacenamiento y una vida útil más prolongados. Esto ofrece a las nanobarras de oro excelentes oportunidades de aplicación en sensores basados en señales de dispersión Raman. 2. Detección de moléculas pequeñas basada en la sensibilidad del índice de refracción: un anillo de varios nanómetros alrededor de una nanobarra de oro puede afectar significativamente sus propiedades de resonancia del plasmón superficial: a medida que aumenta el índice de refracción del anillo, el pico de resonancia del plasmón superficial de la nanobarra de oro se desplaza al rojo. . La magnitud relativa del corrimiento al rojo se puede medir utilizando la sensibilidad del índice de refracción. Las nanobarras de oro con esta propiedad se pueden utilizar para la detección de trazas de moléculas. [7] 3. Detección de micromoléculas e iones basada en el ensamblaje de nanopartículas: bajo la acción de ciertas moléculas o iones específicos, las nanovarillas de oro desnudas o con superficie modificada se ensamblarán de manera ordenada o se volverán a ensamblar de manera desordenada. El ensamblaje o aglomeración de nanobarras de oro provoca cambios en sus espectros característicos (en algunos casos, los cambios de color se pueden observar directamente a simple vista). Según este principio, se puede detectar la presencia de estas moléculas o iones específicos en la solución y determinar su contenido. 4. Detección de iones y moléculas pequeñas según el nivel de energía * * * Efecto de acoplamiento de vibración: las moléculas de tinte cargadas se pueden adsorber en la superficie de las nanobarras de oro a través de interacciones electrostáticas. Cuando el * * * nivel de energía de vibración del plasmón de la superficie de la nanovara de oro se degenera con el nivel de energía de absorción de las moléculas de tinte adsorbidas en la superficie, el sistema producirá * * * efectos de acoplamiento de vibración, lo que resultará en un * * * pico de vibración de el nanorod de oro se mueve. Bajo la acción de otras moléculas o iones específicos en la solución, las moléculas de tinte adsorbidas electrostáticamente en la superficie se desorberán y abandonarán la superficie de las nanobarras de oro, eliminando así el * * * efecto de acoplamiento de vibración y provocando el * * * pico de vibración. del plasma para retroceder. Según este principio, se puede detectar la presencia de estas moléculas o iones específicos en una solución.
Aplicaciones en componentes ópticos
1. Filtros de infrarrojo cercano: dado que las nanobarras de oro tienen una fuerte absorción en la banda de infrarrojo cercano, se pueden usar para fabricar filtros. 2. Elementos ópticos no lineales: debido a la vibración del plasmón superficial, la intensidad del campo eléctrico superficial de las nanobarras de oro aumenta considerablemente (hasta 10e7 veces). Este efecto de mejora del campo eléctrico reduce el umbral de intensidad de irradiación necesario para lograr efectos no lineales, por lo que se puede utilizar. para fabricar diversos componentes ópticos no lineales. 3. Polarizador: Las nanobarras de oro tienen un modo de vibración de plasma * * * paralelo a la dirección del eje largo y dos modos de vibración de plasma * * * perpendiculares a la dirección del eje largo, respectivamente llamados plasmones de superficie axial * *Modos de vibración y plasmones de superficie radial* *Modos de vibración. El modo de vibración de los plasmones de superficie radial está entre 500 y 530 nm, con un rango de sintonización pequeño y una intensidad débil. El modo del plasmón de superficie de eje largo se puede ajustar continuamente desde la luz visible (550 nm) al infrarrojo cercano (1550 nm) a medida que cambia la relación de aspecto. Su intensidad es mucho mayor que el modo radial y es paralelo al. dirección del eje largo. Si las nanobarras de oro están alineadas en una dirección, el componente del campo de luz con una dirección de polarización paralela a esta dirección será absorbido por el modo plasmónico axial de las nanobarras de oro, mientras que el componente del campo de luz con una dirección de polarización perpendicular a esta dirección no verse afectado.
Basándose en este principio, se pueden producir polarizadores de nanobarras de oro con longitudes de onda que oscilan entre 550 nm y 1550 nm.
Células solares de película delgada con absorción mejorada
Para ahorrar cantidad de materias primas semiconductoras, la capa de absorción de las células solares de película delgada puede ser tan delgada como varios cientos de nanómetros. . Cuando el espesor de la capa de absorción del semiconductor es inferior a micras, no es suficiente para absorber toda la luz incidente. En este momento, se necesitan estructuras y materiales apropiados para aumentar la eficiencia de absorción de luz de la capa de absorción de semiconductores. Las nanobarras de oro fuertemente dispersadas, debido a su baja pérdida de energía fototérmica y su fuerte efecto de mejora del campo en las bandas visible e infrarroja cercana, pueden mejorar la eficiencia de absorción de luz de la capa absorbente en células solares de película delgada en esta banda, mejorando así la eficiencia general. Eficiencia de conversión fotoeléctrica de la célula solar.
Materiales nanoestándar
A través de métodos de posprocesamiento y síntesis controlados con precisión, se pueden preparar soluciones coloidales de nanovarillas de oro con una morfología extremadamente uniforme. La longitud de las nanobarras de oro se puede ajustar continuamente en el rango de 20 nm a 200 nm, y el ancho se puede ajustar continuamente en el rango de 5 nm a 100 nm. Esta nanovara de oro con diferencias individuales muy pequeñas puede servir como referencia estándar a nanoescala.
Evitar la falsificación
Las nanobarras de oro pueden tener una respuesta de longitud de onda continua desde la luz visible (550 nm) hasta el infrarrojo cercano (1550 nm). Especialmente en la banda del infrarrojo cercano, las nanobarras de oro pueden convertirse en excelentes materiales contra la falsificación. Se pueden formar códigos de barras nanoinfrarrojos utilizando nanobarras de oro que responden en diferentes bandas infrarrojas. Este tipo de código de barras, que es indistinguible a simple vista, puede mostrar diferentes combinaciones de números e incluso patrones en un dispositivo de visualización de infrarrojos para satisfacer las necesidades antifalsificación de alto nivel.
Almacenamiento óptico de información
La sintonizabilidad de la longitud de onda y la dependencia de la polarización de las nanobarras de oro se pueden utilizar para preparar dispositivos de almacenamiento de información de gran capacidad. En mayo de 2009, el profesor Gu Min de la Universidad Tecnológica de Swinburne y otros publicaron un artículo en la revista Nature describiendo cómo utilizar nanobarras de oro para crear la próxima generación de medios de almacenamiento de información de cinco dimensiones de gran capacidad. El principio de fabricación es que las nanobarras de oro pueden responder a la luz de diferentes longitudes de onda debido a sus diferentes formas, por lo que los investigadores pueden registrar información de color de diferentes longitudes de onda en el mismo disco óptico, además del espacio tridimensional original, la capacidad de almacenamiento es enorme. ampliado. Esta es una gran mejora en comparación con los DVD existentes que sólo pueden grabar colores en una única longitud de onda. La quinta dimensión del disco óptico se crea utilizando las características de polarización de la luz, de modo que el disco óptico puede grabar múltiples capas de información en diferentes ángulos sin interferencia entre cada capa de información. Utilizando la nueva tecnología de almacenamiento informada, los discos existentes del tamaño de un DVD podrían, en teoría, almacenar 1.600 G de datos. En comparación, la capacidad de los discos DVD existentes es generalmente de unos 4 GB, mientras que los discos Blu-ray en lugar de los DVD sólo pueden almacenar 50 G de información. [8][9]
Nanooptoelectrónica
La nanofotónica basada en plasmones de superficie, es decir, plasmones de superficie, tiene posibilidades ilimitadas en la fabricación de circuitos integrados nanofotónicos. ha atraído una amplia atención por parte de la enorme industria microelectrónica del mundo. El tamaño de los componentes fotónicos tradicionales suele limitarse a micrómetros o más, pero pueden funcionar a cientos de terahercios (10-12 Hz) y funcionar muy rápido. Sin embargo, el tamaño de los componentes microelectrónicos se ha reducido a decenas de nanómetros, pero la frecuencia operativa más alta es solo la frecuencia Ghz (10 ^ 9 Hz) y la velocidad operativa es relativamente lenta. Si los circuitos fotónicos se pueden integrar en circuitos microelectrónicos, será posible aumentar considerablemente la velocidad de procesamiento de los chips microelectrónicos tradicionales. Sin embargo, la diferencia de tamaño entre los componentes fotónicos y microelectrónicos dificulta en gran medida su integración, dificultando así la posibilidad de utilizar componentes fotónicos para aumentar la velocidad de funcionamiento de los circuitos microelectrónicos. Debido a esto, los circuitos integrados nanofotónicos basados en plasmones de superficie se han convertido en un factor clave para resolver este problema de coincidencia de tamaños. Para realizar circuitos integrados nanofotónicos de plasmón de superficie, necesitamos aquellos componentes de plasmón de superficie que correspondan a componentes microelectrónicos básicos. Hasta ahora, los trabajos innovadores en este campo se han centrado en componentes pasivos de plasmones de superficie, como guías de ondas plasmónicas, resonadores y acopladores. Sin embargo, la investigación sobre componentes activos del plasmón de superficie, como los moduladores e interruptores del plasmón de superficie, es muy limitada.
El profesor Wang Jianfang [1] de la Universidad China de Hong Kong informó sobre un interruptor de plasmón superficial basado en un * * * acoplamiento de vibración controlable de nanobarras de oro. [10] El interruptor consta de una única nanobarra de oro y sus moléculas fotocromáticas circundantes, que tienen un tamaño inferior a 100 nanómetros. Tanto las nanobarras como las moléculas de oro están encapsuladas en películas de sílice. Sus características de conmutación se activan mediante luz ultravioleta y se controlan mediante tecnología de dispersión de campo oscuro. La potencia de activación y la energía necesarias para operar este interruptor de plasmón de superficie única son solo de aproximadamente 13 pW y 39 pJ, y su profundidad de modulación puede alcanzar los 7,2 dB. Este interruptor plasmónico controlado ópticamente se puede utilizar como elemento de conmutación en circuitos nanofotónicos, por lo que puede acoplarse. bien con componentes microelectrónicos y resolver el problema de coincidencia de tamaño entre ellos.