Una película molecular muestra cómo los electrones desplazados impulsan las oscilaciones de las nanopartículas de oro
El resultado desafía los modelos establecidos de comportamiento de las nanopartículas
Fotocatálisis, sensores, células solares: las nanopartículas que se excitan con la luz prometen una gran variedad de aplicaciones, si se pueden controlar los procesos que subyacen a su comportamiento. Uno de ellos es un tipo de movimiento colectivo de electrones. Estos movimientos dan lugar a intercambios de energía en la nanopartícula que les confieren sus características, pero que también pueden ser perturbadores. Sin embargo, hasta ahora no estaba claro el comportamiento exacto de esos movimientos. Un equipo de investigadores formado por científicos del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL) del DESY, la Universidad de Hamburgo, el Instituto Max-Planck de Estructura y Dinámica de la Materia de Hamburgo y la Universidad Técnica de Berlín publica en la revista Nano Letters observaciones experimentales de una película molecular grabada con el láser de electrones libres FLASH del DESY que no pueden explicarse con los modelos establecidos. En respuesta a estos hallazgos, el equipo ha proporcionado un nuevo modelo teórico que explica la dinámica observada experimentalmente en las nanopartículas de oro excitadas.
Ilustración de una nanopartícula de oro: los investigadores descubrieron que, al ser activada por un pulso de luz, los electrones de la partícula ya se desplazan, mucho antes de lo que se creía.
Las oscilaciones colectivas de electrones en las nanopartículas, denominadas plasmones, están asociadas a campos muy localizados. Los científicos han debatido cómo decaen estas oscilaciones, es decir, cómo se atenúa el movimiento, como se desvanecen las ondas en un estanque. Los investigadores suponían que los plasmones generaban electrones "calientes" muy energéticos que perdían su energía al dispersarse en otros electrones del campo plasmónico, formando lo que se denomina un gas de electrones "caliente". Ese gas calentaría entonces la nanopartícula, que acabaría liberando el exceso de energía al medio ambiente, algo que debería controlarse. La eficacia de la transferencia de energía entre las fases de "electrón caliente", "electrón caliente" y "partícula caliente" es importante para las aplicaciones que utilizan estos procesos, como las células solares y los sensores. En concreto, la transferencia de energía del gas de electrones calientes a la nanopartícula en su conjunto parece ser tan eficiente que la partícula se calienta con extrema rapidez. En el proceso, se expande explosivamente, haciendo que toda la nanopartícula oscile colectivamente, casi como si fuera una esfera que respira.
Sin embargo, hasta ahora no había estudios experimentales que observaran directamente esta oscilación "respiratoria". Para su estudio actual, el equipo de investigadores, dirigido por Holger Lange, Jochen Küpper, científico principal del DESY, y Kartik Ayyer, todos ellos investigadores del Clúster de Excelencia "CUI: Advanced Imaging of Matter", y Andreas Knorr, de la Universidad Técnica de Berlín, combinó teoría y experimento para describir con precisión la dinámica de las nanopartículas de oro excitadas. Utilizando FLASH, el equipo realizó imágenes difractivas de rayos X de una sola partícula, que combinaron con espectroscopia de absorción transitoria realizada en el laboratorio de la Universidad de Hamburgo para determinar tanto el tamaño estructural como las energías de electrones de las nanopartículas tras la excitación óptica en función del tiempo. Sus resultados fueron sorprendentes: las partículas ya se habían expandido con el pulso de excitación óptica, mucho más rápido de lo que se suponía, y antes de que pudiera formarse el gas de electrones "caliente". Esto significaba que la excitación de los electrones por la luz desempeñaba directamente un papel mucho más importante en la expansión de la partícula.
Para explicar sus hallazgos, los investigadores establecieron un nuevo modelo fundamental del comportamiento del plasmón. Su explicación, basada en nuevos cálculos, ofrece ahora una imagen coherente de las observaciones y de por qué la nanopartícula se expandía tan rápidamente. Los cálculos confirmaron los resultados experimentales, ofreciendo una imagen coherente de todos los aspectos observados de la excitación. De los cálculos se desprenden dos términos fuente de la "respiración de la partícula": la expansión térmica "clásica" y un nuevo efecto, las redistribuciones de los electrones inducidas ópticamente, que impulsan directamente la oscilación. El nuevo término de excitación muestra que los procesos plasma-dinámicos están mucho más entrelazados de lo que se suponía y que los modelos existentes sobre electrones calientes y calientes deben cuestionarse, con implicaciones para la fotocatálisis y otras vías de transformación de energía.
El nuevo modelo teórico también proporciona un enfoque general de la interacción entre partículas plasmónicas y ya se está utilizando en otros proyectos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Dominik Hoeing, Robert Salzwedel, Lena Worbs, Yulong Zhuang, Amit K. Samanta, Jannik Lübke, Armando D. Estillore, Karol Dlugolecki, Christopher Passow, Benjamin Erk, Nagitha Ekanayake, Daniel Ramm, Jonathan Correa, Christina, et al.; "Time-resolved single-particle X-ray scattering reveals electron-density gradients as coherent plasmonic-nanoparticle-oscillation source"; Nano Letters, 2023.
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