科学家控制纳米尺度的热分布

科学家控制纳米尺度的热分布

来自华盛顿大学化学副教授David J. Masiello的手写笔记。图片来源:David J. Masiello /华盛顿大学

在人体尺度上,控制温度是一个简单的概念。海龟晒太阳以保暖。要从烤箱中冷却新鲜的馅饼,请将其放在室温台面上。

在纳米级 - 距离小于人类最薄毛发宽度的1/100的距离 - 控制温度要困难得多。纳米级距离非常小,以至于物体很容易热耦合:如果一个物体加热到一定温度,它的邻居也会加热。

当科学家使用光束作为热源时,还有一个挑战:由于热扩散,光束路径中的材料会加热到大约相同的温度,从而难以控制光束内物体的热分布。科学家们从未能够单独使用光来主动塑造和控制纳米尺度的热景观。

至少,直到现在。

在ACS Nano于7月30日在线发表的一篇论文中,一组研究人员报告称,他们设计并测试了一种实验系统,该系统使用近红外激光来主动加热两个金纳米棒天线 - 在纳米级设计和制造的金属棒 - 到不同的温度。纳米棒非常靠近,它们都是电磁和热耦合的。然而,由华盛顿大学,莱斯大学和坦普尔大学的研究人员领导的研究小组测量了高达20摄氏度的棒之间的温度差异。通过简单地改变激光的波长,它们也可以改变哪个纳米棒更冷,哪个更温暖,即使棒是由相同的材料制成的。

“如果你把两个相似的物体放在一张桌子上,通常你会发现它们处于相同的温度。在纳米尺度上也是如此,“主要作者David Masiello说,他是分子与工程科学研究所和纳米工程系统研究所的华盛顿大学化学教授和教授。“在这里,我们可以将相同材料成分的两个耦合对象暴露给同一个光束,其中一个对象将比另一个更温暖。”

Masiello的团队进行了理论建模来设计该系统。他与莱斯大学化学与电子与计算机工程教授Stephan Link以及坦普尔大学化学副教授Katherine Willets共同撰写并测试它。

他们的系统由两个由金制成的纳米棒组成 - 一个150纳米长,另一个250纳米长,或者比最薄的人发薄100倍。研究人员将纳米棒放在一起,在甘蔗环绕的载玻片上端对端放置。

科学家控制纳米尺度的热分布

该图显示了两个纳米棒被加热到不同温度的证据。研究人员收集了有关加热纳米棒和周围甘油如何从一束绿光中散射光子的数据。五幅图显示了五种不同波长下散射光的强度,插图显示了散射光的图像。箭头表示峰值强度在不同波长处移动,这是纳米棒被加热到不同温度的间接信号。图片来源:Bhattacharjee等,ACS Nano,2019。他们出于特定原因选择了黄金。响应像近红外激光器这样的能量来源,金内的电子可以很容易地“振荡”。这些电子振荡或表面等离子体共振有效地将光转换为热量。虽然两个纳米棒都是由金制成,但它们不同的尺寸依赖等离子体极化意味着它们具有不同的电子振荡模式。Masiello的团队计算出,如果纳米级等离子体以相同或相反的相位振荡,它们可以达到不同的温度 - 抵消热扩散的影响。

Link和Willets的团队设计了实验系统,并通过在纳米棒上照射近红外激光进行测试。他们研究了两种波长的光束效应 - 一种用于振荡具有相同相位的纳米棒等离子体,另一种用于反相。

该团队无法直接测量纳米尺度下每个纳米棒的温度。相反,他们收集了关于加热的纳米棒和周围的甘油如何从单独的绿光束散射光子的数据。Masiello的团队分析了这些数据并发现由于纳米棒之间的纳米级温度差异,纳米棒从绿色光束中折射光子的方式不同。

“这种间接测量表明纳米棒已被加热到不同的温度,即使它们暴露在相同的近红外光束下并且足够接近热耦合,”联合主要作者克莱尔·韦斯特说,他是一位威斯康星大学的博士候选人。化学系。

该团队还发现,通过改变近红外光的波长,他们可以改变哪种纳米棒 - 短或长 - 加热更多。激光器基本上可以作为可调谐的“开关”,改变波长以改变哪个纳米棒更热。纳米棒之间的温差也基于它们的距离而变化,但是高达室温以上20摄氏度。

该团队的研究结果有一系列基于控制纳米级温度的应用。例如,科学家可以设计光热控制纳米级精度化学反应的材料,或温度触发的微流体通道,用于过滤微小的生物分子。

研究人员正致力于设计和测试更复杂的系统,例如簇和纳米棒阵列。这些需要更复杂的建模和计算。但鉴于迄今取得的进展,Masiello乐观地认为,理论研究小组和实验研究小组之间的这种独特伙伴关系将继续取得进展。

“这是团队的努力,结果是多年的努力,但它奏效了,”Masiello说。

韦斯特在该论文上的共同主要作者是Ujjal Bhattacharjee,现任印度工程科学与技术研究所的莱斯大学研究员,Shibpur的研究员,以及Rich大学的研究员Seyyed Ali Hosseini Jebeli。共同作者是Harrison Goldwyn和Elliot Beutler,他们都是华盛顿大学化学系的博士生。香港天和胡中伟,华盛顿大学化学系的研究员; 和赖伟顺,赖斯的前研究科学家,现在是马萨诸塞大学达特茅斯大学的化学和生物化学助理教授。该研究由国家科学基金会,罗伯特·A·韦尔奇基金会和华盛顿大学资助。

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