Эксперименты по созданию плазмонного камуфляжа

Чтобы понять, как это работает, необходимо ненадолго углубиться в физику процесса. Итак, что же такое плазмонный резонанс и с чем его употребляют?

Все мы знаем, как свет взаимодействует с гладкой поверхностью металла - он отражается, именно поэтому металлы используются при производстве зеркал: одни металлы отражают свет хуже, другие лучше. Но что происходит, когда свет или электромагнитная волна взаимодействует с наночастицей металла, буквально наполненной электронами? В силу малых размеров наночастиц металла и высокой подвижности электронов в них, электрическое поле электромагнитной волны смещает электронное облако внутри наночастицы на небольшую величину, оголяя с обратной стороны положительно заряженный остов из атомов металла.




В результате между двумя противоположно заряженными половинками наночастицы возникает сила кулоновского притяжения, возвращающая электроны на прежнее место. Это и есть плазмон (затухающее колебание электронного газа), поэтому и сами частицы называются плазмонными. Как и в случае с любыми иными колебательными процессами, данный феномен обладает одним интересными свойством - резонансом, что выражается в резком усилении поглощения электромагнитных волн с определённой частотой или длиной волны. Именно поэтому в спектрах поглощения растворов металлических наночастиц присутствует необычная колоколообразная составляющая, представленная на рисунке ниже.




В зависимости от диаметра наночастиц длина волны света, при которой происходит такое резонансное поглощение, может варьироваться, как и в случае с квантовыми точками. Дополнительно о данном эффекте можно посмотреть это видео (лекция, прочитанная для участников 9-ой НаноОлимпиады)



Плазмонный хамелеон

Конечно же, каждый металл имеет свою резонансную (плазмонную) частоту, для золота это примерно 520-550 нм, для серебра около 410-430 нм. Соответственно, если совместить два металла, то получится некая нелинейная комбинация одного и другого. Именно этот эффект и использовали учёные из Китая и США в своей работе, посвящённой плазмонному хамелеону и опубликованной в престижном научном журнале ACSNano.

На первый взгляд, идея кажется крайне простой. Необходимо взять упорядоченный пористый материал (например, анодированный оксид алюминия, AAO), расположить его на электроде, вырастить внутри каждой поры небольшую наночастицу золота, а сверху добавить ещё один электрод, покрытый проводящим гелем и содержащий ионы серебра.




Прикладывая напряжение (~1.5 В) можно довольно быстро (ведь речь идёт о наночастицах) осаждать небольшие количества серебра на островки золота внутри пор и таким образом изменять оптические свойства системы. Например, легко управлять отражением света в пределах 420 - 650 нм, что практически перекрывает весь видимый спектр. А приложение обратного напряжения позволяет переводить серебро в ионы, распределённые в геле.




Обычно научные изыскания на этом и заканчиваются: мол, мы вот показали, что это работает, остальное не наша задача. Однако коллектив авторов решил не останавливаться на достигнутом и создал робота-хамелеона, состоящего из небольших пластин, которые изменяют цвет. Робот напичкан датчиками и способен анализировать окружающую цветовую гамму, подстраиваясь по неё.




Плюс ко всему, учёные показали, что данная технология может быть успешно применена для создания "статичных" дисплеев. Они могут прийти на замену современным светодиодным панелям в сфере рекламы.

Хотелось бы отметить также другую интересную особенность золотых наночастиц, особенно для тех, кто пропустил видео выше. Их можно удивительно быстро и легко собирать на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей, как продемонстрировано в ролике ниже.






При этом наночастицы формируют плёнку, которая обладает определёнными механическими свойствами. Она не трескается, не деградирует, не теряет металлического блеска и цвета, а вместо этого тянется и деформируется, так как наночастицы внутри плёнки связаны специальными молекулами.