Los científicos ahora pueden controlar los perfiles térmicos a nanoescala

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Los científicos ahora pueden controlar los perfiles térmicos a nanoescala

A escala humana, controlar la temperatura es un concepto sencillo. Las tortugas se asolean para mantenerse calientes. Para enfriar un pastel recién salido del horno, colóquelo sobre una encimera a temperatura ambiente.

En la nanoescala, a distancias inferiores a 1/100 del ancho del cabello humano más delgado, controlar la temperatura es mucho más difícil. Las distancias a nanoescala son tan pequeñas que los objetos se acoplan térmicamente fácilmente: si un objeto se calienta a cierta temperatura, también lo hace su vecino.

Cuando los científicos usan un haz de luz como esa fuente de calor, hay un desafío adicional: gracias a la difusión del calor, los materiales en la trayectoria del haz se calientan aproximadamente a la misma temperatura, lo que dificulta la manipulación de los perfiles térmicos de los objetos dentro del haz. Los científicos nunca han podido usar la luz sola para moldear y controlar activamente los paisajes térmicos a nanoescala.

Al menos, no hasta ahora.

En un artículo publicado en línea el 30 de julio por la revista ACS Nano, un equipo de investigadores informa que han diseñado y probado un sistema experimental que utiliza un láser de infrarrojo cercano para calentar activamente dos antenas de nanorod de oro: barras de metal diseñadas y construidas en el nanoescala – a diferentes temperaturas. Los nanorods están tan juntos que están acoplados electromagnéticamente y térmicamente. Sin embargo, el equipo, dirigido por investigadores de la Universidad de Washington, la Universidad de Rice y la Universidad de Temple, midió las diferencias de temperatura entre las barras hasta 20 grados centígrados. Simplemente cambiando la longitud de onda del láser, también podrían cambiar qué nanorod era más frío y cuál era más cálido, a pesar de que las varillas estaban hechas del mismo material.

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Esta figura muestra evidencia de que los dos nanorods se calentaron a diferentes temperaturas. Los investigadores recolectaron datos sobre cómo los nanorods calentados y el glicerol circundante dispersaron los fotones de un haz de luz verde. Los cinco gráficos muestran la intensidad de esa luz dispersa en cinco longitudes de onda diferentes, y las inserciones muestran imágenes de la luz dispersa. Las flechas indican que la intensidad máxima cambia a diferentes longitudes de onda, una señal indirecta de que los nanorods se calentaron a diferentes temperaturas. (Crédito: Bhattacharjee et al., ACS Nano, 2019)

"Si pones dos objetos similares uno al lado del otro en una mesa, normalmente esperarías que estén a la misma temperatura. Lo mismo es cierto a nanoescala", dijo el autor principal, David Masiello, profesor de química y facultad de la Universidad de Washington. miembro del Instituto de Ciencias Moleculares e Ingeniería y del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería. "Aquí, podemos exponer dos objetos acoplados de la misma composición material al mismo haz, y uno de esos objetos será más cálido que el otro".

El equipo de Masiello realizó el modelado teórico para diseñar este sistema. Se asoció con los co-autores correspondientes Stephan Link, profesor de química e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Rice, y Katherine Willets, profesora asociada de química en la Universidad de Temple, para construirla y probarla.

Su sistema consistía en dos nanorods hechos de oro: uno de 150 nanómetros de largo y el otro de 250 nanómetros de largo, o aproximadamente 100 veces más delgado que el cabello humano más delgado. Los investigadores colocaron los nanorods muy juntos, de punta a punta en un portaobjetos de vidrio rodeado de glicerol.

Eligieron el oro por una razón específica. En respuesta a fuentes de energía como un láser de infrarrojo cercano, los electrones dentro del oro pueden "oscilar" fácilmente. Estas oscilaciones electrónicas, o resonancias de plasmones superficiales, convierten eficientemente la luz en calor. Aunque ambos nanorods estaban hechos de oro, sus diferentes polarizaciones plasmónicas dependientes del tamaño significaban que tenían diferentes patrones de oscilaciones de electrones. El equipo de Masiello calculó que, si los plasmones de nanorod oscilaban con la misma fase o con fases opuestas, podrían alcanzar temperaturas diferentes, contrarrestando los efectos de la difusión térmica.

Los grupos de Link y Willets diseñaron el sistema experimental y lo probaron haciendo brillar un láser de infrarrojo cercano en los nanorods. Estudiaron el efecto del haz en dos longitudes de onda: una para oscilar los plasmones de nanorod con la misma fase, otra para la fase opuesta.

El equipo no pudo medir directamente la temperatura de cada nanorod a nanoescala. En cambio, recopilaron datos sobre cómo los nanorods calentados y el glicerol circundante dispersaron los fotones de un haz de luz verde separado. El equipo de Masiello analizó esos datos y descubrió que los nanorods refractaban los fotones del haz verde de manera diferente debido a las diferencias de temperatura a nanoescala entre los nanorods.

"Esta medición indirecta indicó que los nanorods se habían calentado a diferentes temperaturas, a pesar de que estaban expuestos al mismo haz de infrarrojo cercano y estaban lo suficientemente cerca como para ser acoplados térmicamente", dijo la coautora principal, Claire West, candidata a doctorado en la Universidad de Washington. Departamento de Química.

El equipo también descubrió que, al cambiar la longitud de onda de la luz infrarroja cercana, podían cambiar qué nanorod, corto o largo, se calentaba más. El láser podría actuar esencialmente como un "interruptor" sintonizable, cambiando la longitud de onda para alterar qué nanorod estaba más caliente. Las diferencias de temperatura entre los nanorods también variaron en función de su distancia, pero alcanzaron hasta 20 grados Celsius por encima de la temperatura ambiente.

Los hallazgos del equipo tienen una gama de aplicaciones basadas en el control de la temperatura a nanoescala. Por ejemplo, los científicos podrían diseñar materiales que controlen foto-térmicamente las reacciones químicas con precisión a nanoescala, o canales microfluídicos activados por temperatura para filtrar pequeñas moléculas biológicas.

Los investigadores están trabajando para diseñar y probar sistemas más complejos, como grupos y matrices de nanorods. Estos requieren modelos y cálculos más complejos. Pero dado el progreso hasta la fecha, Masiello es optimista de que esta asociación única entre grupos de investigación teóricos y experimentales continuará progresando.

"Fue un esfuerzo de equipo, y los resultados fueron años en desarrollo, pero funcionó", dijo Masiello. (Fuente: Universidad de Washington)

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