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Plasmonische Nanopartikel

Plasmonen sind freie Elektronen auf der Oberfläche von Metallen, die durch Energiezufuhr, typischerweise durch Licht, angeregt werden. Bewegte Plasmonen können optische Energie in Wärme umwandeln. Plasmonische Nanopartikel sind Partikel, deren Elektronendichte mit elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen koppeln kann, die weit größer sind als die des Partikels. Dies liegt an der Natur der Dielektrikum-Metall-Grenzfläche zwischen dem Medium und den Partikeln, anders als bei einem reinen Metall, wo es eine maximale Grenze gibt, welche Wellenlänge basierend auf der Materialgröße effektiv gekoppelt werden kann. Plasmonische Nanopartikel weisen aufgrund ihrer Geometrien und relativen Positionen auch interessante Streu-, Absorptions- und Kopplungseigenschaften auf. Diese einzigartigen Eigenschaften haben sie zu einem Schwerpunkt der Forschung in vielen Anwendungen gemacht, darunter Solarzellen, Spektroskopie, Signalverstärkung für die Bildgebung und Krebsbehandlung.
Plasmonische Goldnanopartikel
Gold-Nanopartikel können zur effizienten Energieumwandlung verwendet werden, da ihre optische Absorption etwa eine Million Mal höher ist als die aller anderen Moleküle in der Natur. Wissenschaftler der Rice University haben gezeigt, dass sich gewöhnliche Goldnanopartikel, bekannt als Goldkolloide, im nahen Infrarot bis auf wenige Nanometer aufheizen, wenn sie von sehr kurzen Laserlichtpulsen getroffen werden.
Der berichtete Effekt scheint mit der instationären optischen Anregung plasmonischer Nanopartikel zusammenzuhängen. Plasmonische Gold-Nanopartikel ermöglichen eine punktgenaue Erwärmung nach Bedarf. Forscher haben einen Weg gefunden, verschiedene Nanopartikel selektiv zu erhitzen, die ihren Einsatz in Medizin und Industrie vorantreiben könnten.
Die oben genannten Partikel reagieren traditionell auf breite Lichtspektren, und nicht viel davon befindet sich im wertvollen Nahinfrarotbereich. Nahinfrarotlicht ist für Wasser und, was bei biologischen Anwendungen noch wichtiger ist, für Gewebe unsichtbar. Laut Forschern haben alle Nanopartikel, angefangen bei festen Goldkolloiden bis hin zu komplexeren, konstruierten Gold-Nanoschalen, -Stäbchen, -Käfigen und -Sternen, sehr breite Spektren, typischerweise etwa 100 Nanometer, und daher kann nur eine Art von Nanopartikel gleichzeitig verwendet werden.
Die Entdeckung ermöglichte es den Forschern, kontrollierte Laserpulse zu verwenden, um das Absorptionsspektrum von reinen Goldkolloiden abzustimmen. Das Rice-Labor zeigte, dass basische kolloidale Goldnanopartikel durch einen kurzen Laserpuls bei 780 Nanometern effizient aktiviert werden können, mit einer 88-fachen Verstärkung des photothermischen Effekts, der mit einem kontinuierlichen Laser beobachtet wird.



Nanomaterialien

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