Ученые теперь могут контролировать температурный профиль на наноуровне

В человеческом масштабе, контроля температуры является простой концепцией. Сами черепашки солнца, чтобы согреться. Остудить пирог прямо из печи, поместите его в комнатной температуре столешницу.

На наноуровне-на расстояниях менее 1/100 ширины тончайших человеческих волос — контроль температуры гораздо сложнее. Наноразмерные расстояния настолько малы, что предметы легко становятся связанными тепловыми и материальными потоками: если один объект нагревается до определенной температуры, так что делает его сосед.

Когда ученые использовали луч света, как источника тепла, существует еще одна проблема: благодаря термической диффузии, материалы на пути луча нагреть до примерно той же температуры, что делает его трудно манипулировать тепловой профилей объектов в Луч. Ученые никогда не могли использовать свет, чтобы активно формировать и контролировать тепловой пейзажи на наноуровне.

По крайней мере, не до сих пор.

В опубликованном на сайте 30 июля в журнале ACS Nano, то команда исследователей сообщает, что они разработали и протестировали экспериментальную систему, которая использует близко-ультракрасный лазер активно тепла две золотые наностержень усики — металлические стержни спроектированы и построены на наноуровне-на разных температурах. Наностержнями так близко вместе, что они оба и электромагнитно связанными тепловыми и материальными потоками. Пока команда, во главе с исследователями из Вашингтонского университета, Университета Райса и Университета Темпл, измеренной разницы температур между стержнями до 20 градусов по Цельсию. Путем простого изменения длины волны лазерного излучения, они также могут изменить наностержень был прохладнее, и, который был теплее, хотя прутья были сделаны из того же материала.

«Если поставить две одинаковые рядом друг с другом на столе, как правило, вы ожидаете их иметь одинаковую температуру. То же самое верно на наноуровне», — сказал ведущий автор Дэвид Масьелло, профессор Вашингтонского университета химии и членом факультета молекулярной и Институт технических наук и Института нано-инженерных систем. «Здесь мы можем выставить двух связанных объектов из того же материала, состав тот же луч, и один из этих объектов будет теплее, чем другие.»

Команда Масьелло произведено теоретическое моделирование, чтобы спроектировать эту систему. Он сотрудничает с Co-авторами соответствующей ссылке Стефан, профессор обоих химии и электротехники и вычислительной техники в Университете Райса, и Кэтрин Уиллетс, адъюнкт-профессор химии в Университете Темпл, чтобы построить и протестировать его.

Их система состояла из двух наностержни из золота-один 150 Нм и 250 Нм, или примерно в 100 раз тоньше самого тонкого человеческого волоса. Исследователи поместили наностержней близко друг к другу, от конца до конца на предметное стекло в окружении глицерина.

Они выбрали золото по определенной причине. В ответ на источники энергии, как близко-ультракрасный лазер, электроны в золото может «колебаться» легко. Эти электронные колебания, или плазмона, эффективно преобразовывать свет в тепло. Хотя оба наностержни были сделаны из золота, их различия в зависимости от размера плазмонных поляризации означает, что они разных моделей колебаний электронов. Команда Масьелло подсчитано, что если наностержень плазмонов металась с одного и того же или имеют противоположные фазы, они могут достичь разных температурах — противодействие эффекты термодиффузии.

Ссылке и групп Уиллетс’ разработали экспериментальную систему и протестировали ее, посветив близко-ультракрасный лазер на наностержней. Они изучали влияние балки на двух длинах волн-один для осциллируя в наностержень плазмонов с одной и той же фазе, другой в противофазе.

Команда не может непосредственно измерить температуру каждого наностержень на наноуровне. Вместо этого, они собрали сведения о том, как обогрев наностержней и окружающие глицерол рассеянных фотонов из отдельного луча зеленого света. Команда Масьелло проанализировали эти данные и обнаружили, что наностержни преломленные фотоны от зеленого луча по-разному из-за наноразмерных различия в температуре между наностержнями.

«Это косвенные измерения показали, что эти наночастицы были нагретых до разных температур, даже если они были подвержены таким же ближнего инфракрасного луча и были достаточно близко, чтобы быть связанными тепловыми и материальными потоками», — сказал со-ведущий автор Клэр Западе Ию докторант кафедры химии.

Исследователи также обнаружили, что путем изменения длины волны ближнего инфракрасного света, они могут изменить наностержень — короткие или длинные-нагревается больше. Лазер может существенно подействовать как перестраиваемый «выключатель», изменяя длину волны для того чтобы изменить что наностержень было жарче. Разница в температуре между наностержнями также разнообразны, основаны на их расстояние друг от друга, но доходил до 20 градусов Цельсия выше комнатной температуры.

Выводы группы имеют широкий спектр приложений на основе контроля температуры на наноуровне. Например, ученые могли бы разработать материалы, фото-термически контроля химических реакций с наноразмерной точностью, или температуры-срабатывает микрожидкостных каналов для фильтрации мелкие биологические молекулы.

Исследователи работают над дизайном и испытание более сложных систем, таких как кластеры и массивы наностержней. Они требуют более сложных моделирования и расчетов. Но, учитывая достигнутый к настоящему времени прогресс, Масьелло надеется, что это уникальное партнерство между теоретическими и экспериментальными исследовательскими группами будет продолжать добиваться прогресса.

«Это была командная работа, и результаты были лет, но он работал», — сказал Масьелло.