Cientistas da Argonne e da Northwestern College se uniram para entender como a luz interage com nanoestruturas metálicas, com implicações para o biossensor, ciência da informação quântica e muito mais.
Think about usar a luz para controlar reações químicas que poderiam decompor poluentes ou diagnosticar doenças. Para concretizar estes avanços potencialmente transformadores na catálise, biossensor e campos relacionados, os cientistas estão a concentrar-se numa questão incrivelmente pequena: como a luz interage com as moléculas individuais – até mesmo átomos – de pequenas estruturas metálicas personalizadas, conhecidas como nanoframes.
Nessas escalas íntimas, pacotes de luz – ou fótons – podem desencadear pequenas “oscilações” de elétrons em partes desses andaimes. Conhecer a localização precisa, o tamanho, a orientação e a evolução dessas oscilações poderia permitir aos pesquisadores projetar nanoestruturas metálicas que podem ser controladas por fótons – um passo essencial na realização dessas aplicações de mudança de paradigma.
Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) fizeram parceria com uma equipe da Northwestern College para visualizar essas oscilações em uma classe de nanoestruturas metálicas que são candidatos promissores para aplicações em catálise e biossensor acionados por luz. A equipe usou técnicas avançadas de microscopia eletrônica ultrarrápida no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, uma instalação do DOE Workplace of Science, para visualizar e analisar as oscilações eletrônicas em nanoframes de vários formatos feitos de ouro e platina.
A equipe descobriu que, quando “excitadas” por pulsos ópticos ultracurtos, as oscilações dos elétrons – conhecidas como ressonâncias plasmônicas de superfície localizadas – mudam no espaço e no tempo dependendo da forma e tamanho do nanoframe. Eles também mostraram que o acoplamento entre múltiplos nanoquadros pode influenciar o comportamento dessas oscilações, criando novas oportunidades para transferência de energia e aprimoramento de campo.
“Ao capturar como a luz interage com nanoestruturas no espaço e no tempo, abrimos uma nova janela para o mundo em nanoescala“, disse o coautor sênior Koray Aydin, professor associado de engenharia elétrica e de computação na Northwestern College.”Nosso trabalho revela como a forma e o arranjo de nanoestruturas metálicas podem ser aproveitados para controlar o fluxo de energia, abrindo caminho para avanços nas ciências de detecção, catálise e informação quântica.”
Na Northwestern, a equipe sintetizou nanoframes de vários formatos, incluindo triângulos e hexágonos. Eles trouxeram os nanoframes para o CNM e usaram microscopia eletrônica de campo próximo induzida por fótons (PINEM) – uma variante da microscopia eletrônica ultrarrápida – para sondar as interações luz-matéria dentro dessas nanoestruturas. O PINEM permitiu aos pesquisadores capturar a dinâmica espacial e temporal dos campos plasmônicos com resolução em escala nanométrica e precisão em escala de femtossegundos.
O estudo também empregou simulações computacionais avançadas para modelar as distribuições do campo elétrico e outras propriedades ópticas dos nanoquadros. Essas simulações complementaram as observações experimentais, fornecendo insights mais profundos sobre as relações estrutura-função dos nanoquadros.
“Esta pesquisa demonstra o poder da microscopia eletrônica ultrarrápida em revelar a intrincada dinâmica das nanoestruturas plasmônicas”, disse o co-autor sênior Haihua Liu, cientista de microscopia eletrônica em Argonne. “Ao combinar abordagens experimentais e computacionais, obtivemos uma compreensão abrangente de como esses nanoquadros interagem com a luz, o que é basic para projetar tecnologias de próxima geração em biossensor e energia.”
Nanoframes desta classe já estão sendo explorados por seu potencial em biossensor, onde sua capacidade de amplificar campos elétricos localizados poderia levar a ferramentas de diagnóstico altamente sensíveis. Na catálise, essas nanoestruturas poderiam permitir reações químicas mais eficientes, concentrando energia em locais específicos. Suas propriedades ópticas únicas também os tornam candidatos promissores para aplicações em certos tratamentos de câncer e processamento de informações quânticas.
O estudo também lançou luz sobre um tipo especial de acoplamento entre nanoframes, o acoplamento plasmônico, que poderia ser aproveitado para projetar sistemas mais complexos para coleta de energia e dispositivos nanofotônicos. Por exemplo, o acoplamento entre nanoframes pode criar “pontos quentes” de campos eléctricos, que são críticos para tornar os processos movidos por luz mais eficientes.
“Existem muitas direções futuras diferentes para esta linha de pesquisa,“disse Liu.”Ele aborda tantas aplicações diferentes.”
O autor principal do artigo foi o pesquisador de pós-doutorado da Argonne, Ibrahim Tanriover, que conduziu esta pesquisa como estudante de doutorado na Northwestern. O co-autor sênior do artigo foi Chad Mirkin, professor de química George B. Rathmann na Northwestern. Coautores adicionais foram Yuanwei Li, da Northwestern College; Thomas Gage, cientista de materiais em Argonne; e Ilke Arslan, vice-diretor associado do laboratório da diretoria de Ciências Físicas e Engenharia de Argonne. A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pelo Escritório de Ciência do DOE, Ciências Básicas de Energia.