Nanopartículas plasmónicas

Las nanopartículas plasmónicas son partículas cuya densidad electrónica puede acoplarse con radiación electromagnética de longitudes de onda que son mucho más grandes que la partícula debido a la naturaleza de la interfaz dieléctrico - metal entre el medio y las partículas: a diferencia de un metal puro donde hay un límite máximo de qué tamaño de longitud de onda se puede acoplar eficazmente en función del tamaño del material. [2]

"> Archivo: Evolución temporal de un pulso de onda plana que interactúa con las nanopartículas (lateral) .ogvReproducir medios
Simulación FDTD de una interacción de onda plana pulsada con nanopartículas plasmónicas [1]

Lo que diferencia a estas partículas de los plasmones superficiales normales es que las nanopartículas plasmónicas también exhiben interesantes propiedades de dispersión , absorbancia y acoplamiento basadas en sus geometrías y posiciones relativas. [3] [4] Estas propiedades únicas los han convertido en un foco de investigación en muchas aplicaciones, incluidas las células solares, la espectroscopia, la mejora de la señal para la obtención de imágenes y el tratamiento del cáncer. [5] [6] Su alta sensibilidad también los identifica como buenos candidatos para diseñar instrumentación mecano-óptica. [7]

Los plasmones son las oscilaciones de electrones libres que son consecuencia de la formación de un dipolo en el material debido a ondas electromagnéticas. Los electrones migran en el material para restaurar su estado inicial; sin embargo, las ondas de luz oscilan, lo que lleva a un cambio constante en el dipolo que obliga a los electrones a oscilar a la misma frecuencia que la luz. Este acoplamiento solo ocurre cuando la frecuencia de la luz es igual o menor que la frecuencia del plasma y es mayor en la frecuencia del plasma que por lo tanto se llama frecuencia resonante . Las secciones transversales de dispersión y absorbancia describen la intensidad de una frecuencia dada para ser dispersada o absorbida. Existen muchos procesos de fabricación o métodos de síntesis química para la preparación de tales nanopartículas, dependiendo del tamaño y la geometría deseados.

Las nanopartículas pueden formar grupos (las llamadas "moléculas plasmónicas") e interactuar entre sí para formar estados de grupos. La simetría de las nanopartículas y la distribución de los electrones dentro de ellas pueden afectar un tipo de enlace o carácter antienlazante entre las nanopartículas de manera similar a los orbitales moleculares. Dado que la luz se acopla con los electrones, la luz polarizada se puede utilizar para controlar la distribución de los electrones y alterar el símbolo del término mulliken para la representación irreducible. El cambio de la geometría de las nanopartículas se puede utilizar para manipular la actividad óptica y las propiedades del sistema, pero también puede usarse la luz polarizada al reducir la simetría de los electrones conductores dentro de las partículas y cambiar el momento dipolar del cúmulo. Estos grupos se pueden utilizar para manipular la luz en la nanoescala. [8]

Las ecuaciones cuasiestáticas que describen las secciones transversales de dispersión y absorbancia para nanopartículas esféricas muy pequeñas son:

dónde es el número de onda del campo eléctrico, es el radio de la partícula, es la permitividad relativa del medio dieléctrico yes la permitividad relativa de la nanopartícula definida por

también conocido como el modelo Drude para electrones libres dondees la frecuencia de plasma , es la frecuencia de relajación de la carga transportada, y es la frecuencia de la radiación electromagnética. Esta ecuación es el resultado de resolver la ecuación diferencial para un oscilador armónico con una fuerza impulsora proporcional al campo eléctrico al que está sometida la partícula. Para obtener una derivación más completa, consulte plasmón de superficie .

De ello se deduce lógicamente que las condiciones de resonancia para estas ecuaciones se alcanzan cuando el denominador es alrededor de cero, de modo que

Cuando se cumple esta condición, las secciones transversales están al máximo.

Estas secciones transversales son para partículas esféricas simples. Las ecuaciones cambian cuando las partículas no son esféricas o están acopladas a 1 o más nanopartículas, como cuando cambia su geometría. Este principio es importante para varias aplicaciones.

Se realizó un riguroso análisis electrodinámico de las oscilaciones del plasma en una nanopartícula esférica de metal de tamaño finito. [9]

Células solares plasmónicas

Debido a su capacidad para dispersar la luz hacia la estructura fotovoltaica y su baja absorción, las nanopartículas plasmónicas se están investigando como un método para aumentar la eficiencia de las células solares. [10] [5] Forzar que el dieléctrico absorba más luz aumenta la eficiencia. [11]

Los plasmones pueden ser excitados por radiación óptica e inducir una corriente eléctrica a partir de electrones calientes en materiales fabricados a partir de partículas de oro y moléculas de porfina sensibles a la luz , de tamaños precisos y patrones específicos. La longitud de onda a la que responde el plasmón es función del tamaño y el espaciamiento de las partículas. El material se fabrica mediante nanolitografía ferroeléctrica . En comparación con la fotoexcitación convencional , el material produjo de tres a diez veces la corriente. [12] [13]

Espectroscopia

En los últimos 5 años, las nanopartículas plasmónicas se han explorado como método para la espectroscopia de alta resolución . Un grupo utilizó nanopartículas de oro de 40 nm que se habían funcionalizado de modo que se unieran específicamente a los receptores del factor de crecimiento epidérmico para determinar la densidad de esos receptores en una célula. Esta técnica se basa en el hecho de que la geometría efectiva de las partículas cambia cuando aparecen dentro de un diámetro de partícula (40 nm) entre sí. Dentro de ese rango, se puede recuperar información cuantitativa sobre la densidad de EGFR en la membrana celular basándose en el cambio en la frecuencia de resonancia de las partículas plasmónicas. [14]

Tratamiento para el cáncer

La investigación preliminar indica que la absorción de nanobarras de oro funcionalizadas con factor de crecimiento epidérmico es suficiente para amplificar los efectos de la luz láser de baja potencia de modo que pueda usarse para tratamientos de radiación dirigida. [15]

  • Nanobarras de oro
  • Plasmón de superficie localizado
  • Célula solar plasmónica
  • Metamateriales plasmónicos

  1. ^ Guay, Jean-Michel; Lesina, Antonino Calà; Côté, Guillaume; Charron, Martin; et al. (2017). "Colores plasmónicos inducidos por láser sobre metales" . Comunicaciones de la naturaleza . 8 : 16095. doi : 10.1038 / ncomms16095 . PMC  5520110 . PMID  28719576 .
  2. ^ Eustis, S., El-Sayed, MA, " Por qué las nanopartículas de oro son más preciosas que el oro bonito: resonancia de plasmón de superficie de metal noble y su mejora de las propiedades radiativas y no radiativas de nanocristales de diferentes formas ", Chemical Society Reviews , vol. 35, págs. 209-217, 2006. doi : 10.1039 / b514191e (se requiere suscripción) - a través de Semantic Scholar
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  10. ^ Yue, Zengji; Cai, Boyuan; Wang, Lan; Wang, Xiaolin; Gu, Min (1 de marzo de 2016). "Nanoestructuras dieléctricas plasmónicas intrínsecamente núcleo-caparazón con índice de refracción ultra alto" . Avances científicos . 2 (3): e1501536. Código bibliográfico : 2016SciA .... 2E1536Y . doi : 10.1126 / sciadv.1501536 . ISSN  2375-2548 . PMC  4820380 . PMID  27051869 .
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  13. ^ Conklin, D .; Nanayakkara, S .; Park, TH; Lagadec, MF; Stecher, JT; Chen, X .; Therien, MJ; Bonnell, DA (2013). "Explotación de electrones calientes inducidos por plasmón en dispositivos electrónicos moleculares". ACS Nano . 7 (5): 4479–4486. doi : 10.1021 / nn401071d . PMID  23550717 . - a través de publicaciones ACS (se requiere suscripción)
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  15. ^ Rejiya, CS, Kumar, J., Raji, V., Vibin, M., Abraham, A. "La inmunoterapia con láser con nanovarillas de oro provoca la muerte selectiva de las células tumorales", investigación farmacológica , 2011. doi : 10.1016 / j.phrs .2011.10.005  - a través de Elsevier ScienceDirect (se requiere suscripción)