Наноантенны позволяют фиксировать единичные атомы или молекулы легковоспламеняющихся газов

Исследователи из США и Германии впервые применили одиночную наноантенну, представляющую собой устройство для фокусировки света, для обнаружения отдельных атомов и молекул. В будущем подобная технология может использоваться для создания сверхчувствительных газовых датчиков, работающих в том числе и на легковоспламеняющихся газах, где не применимы обычные электромагнитные методы.

Не так давно мы уже писали о возможностях применения идеологии антенн в наномасштабе. В обычной жизни мы пользуемся антеннами, принимая радио и телевизионный сигнал; при переходе к наномасштабу идеология работы антенны сохраняется, но она позволяет работать уже с оптическими частотами. Таким образом, основная сфера, где подобные крошечные антенны могут иметь применение, – это нанофотоника. Помимо этого, наноантенны могут использоваться для генерирования поверхностных электромагнитных волн, известных как поверхностные плазмоны.

Плазмоны возникают благодаря ограничению электромагнитных волн в пространстве, обычно на границе между металлической наноструктурой (чаще всего выполненной из золота) и диэлектрика (воздуха). Когда частота созданных таким образом поверхностных плазмонов совпадает с частотой падающего света, возникает так называемый резонанс локализованных поверхностных плазмонов (localized surface plasmon resonance, LSPR), концентрирующий электромагнитное поле еще в меньшем объеме пространства – порядка 100 кубических нанометров. При этом коэффициент усиления антенны мог контролироваться при помощи изменения расстояния от палладиевой наночастицы до золотой наноантенны.

Любой объект, помещенный в это локальное поле (так называемый «нанофокус»), будет оказывать влияние на резонансные явления, так что он может быть обнаружен при помощи так называемой темнопольной оптической микроскопии, техники, использующей для формирования изображения только рассеянное излучение.

Совместная группа ученых из Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, США) и University of Stuttgart (Германия) использовали эту методику для обнаружения единичных атомов и молекул. Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Materials.

Исследователи разработали инновационный подход, с помощью которого смогли поместить отдельную палладиевую наночастицу в фокус наноантенны из золота, размещенной на подложке. Взаимодействие между золотой наноантенной и палладиевой наночастицей вызывали упомянутый выше резонанс локализованных поверхностных плазмонов. Таким образом, любая частица, оказавшаяся на небольшом расстоянии от созданной системы, изменяла ее параметры, и, соответственно, характер рассеяния света системой. При помощи методики темнопольной оптической микроскопии изменения могли фиксироваться в режиме реального времени.

Согласно проведенным исследованиям, важную роль играла форма наноантенны. Оказалось, что для подобного рода экспериментов наилучшим образом подходит антенна в форме острия.

По мнению исследователей, разработанная методика может использоваться для обнаружения легковоспламеняющихся газов, таких, как водород, к которым не всегда применимы электромагнитные методы исследований с традиционными датчиками из-за возможности взрыва даже при концентрации порядка 4%. Стоит отметить, что разработка способов для обнаружения малого количества водорода сейчас особенно важна для успешного внедрения в автомобильной промышленности экологически чистых топливных ячеек.

экологически чистые топливные ячееки, наночастица, наноантенна из золота

1. nanotechweb.org

2. sci-lib.com