Gullnanopartikler (AuNPs) har fått stor oppmerksomhet i det siste for deres potensiale i bioteknologiske applikasjoner, spesielt i områder som DNA-detektering. En av de mest lovende metodene for å detektere mål-DNA er basert på AuNPs og deres evne til å danne en sandwicheffekt ved bruk av probe-DNA som er konjugert til nanopartikkelenes overflate. I vårt eksperiment utførte vi elektrophorese-båndanalyse av ulike størrelser og konsentrasjoner av AuNPs, samt antallet Probe-DNAs som var konjugert til overflaten, i et forsøk på å utvide og optimalisere det dynamiske området for mål-DNA deteksjon.

Vi fant at konsentrasjonen av AuNPs spiller en kritisk rolle i å bestemme den øvre grensen for det dynamiske området. For å maksimere dette området er det også avgjørende å optimalisere antallet Probe-DNA per AuNP. Dette trinnet er viktig for å forhindre feil i bestemmelsen av mål-DNA-konsentrasjonen. Vi undersøkte AuNPs med diametre fra 15 til 40 nm ved forskjellige konsentrasjoner, og oppnådde dynamiske områder som strakte seg over to til tre størrelsesordener. Ved å justere nanopartikkelens størrelse kan dette området endres med to størrelsesordener. Bruken av både 15-nm og 40-nm AuNPs kan dekke et dynamisk område på over fire størrelsesordener.

I tillegg utviklet og optimaliserte vi en metode for dannelse av dimere AuNPs modifisert med en COOH-terminert alkanetioylag ved å utnytte van der Waals-interaksjoner mellom alkylkjedene i en bulk suspensjon. Vi viste at gapet mellom partikler kunne justeres ved å endre lengden på alkylkjedene. For alle tilfellene vi undersøkte, fant vi at gapet var veldefinert og jevnt. Dette tyder på at interaksjonen mellom COOH-gruppen, som er en terminus av alkanetioyl, og gulloverflaten også spiller en rolle i dannelsen av dimere. For de korteste alkylkjedene oppnådde vi et partikkelgap så lite som 1,0 nm.

Dette eksperimentet understreker viktigheten av nøye kontroll over både størrelsen på gullnanopartiklene og antallet Probe-DNAs for å maksimere effektiviteten til DNA-detekteringen. Det dynamiske området for deteksjon kan utvides betydelig gjennom små justeringer i nanopartikkelstørrelse og overflatemodifikasjoner. Den utviklede metoden kan også ha anvendelser utover DNA-detektering, og kan potensielt brukes i andre områder av nanobioteknologi som krever presis kontroll over nanopartikkelinteraksjoner.

Når man arbeider med AuNPs i slike applikasjoner, er det viktig å forstå de fysikalske og kjemiske prinsippene som styrer partikkel-interaksjoner. Dette inkluderer van der Waals-krefter, elektrostatisk interaksjon, og de kjemiske bindingene mellom nanopartiklene og de biokonjugerte probe-DNA-ene. I tillegg må det tas hensyn til at nanopartikler av forskjellige størrelser kan oppføre seg forskjellig i forskjellige miljøer, som for eksempel i løsninger med høy ionestyrke eller når de er utsatt for forskjellige pH-nivåer. Dette kan påvirke stabiliteten og påliteligheten til assayet.

Det er også avgjørende å utvikle metoder for å standardisere prosessene for å minimere variasjonen mellom eksperimentelle sett og å sikre at resultatene er reproducerbare. Uten tilstrekkelig kontroll kan det være vanskelig å oppnå pålitelige og nøyaktige målinger av mål-DNA-koncentrasjonene.

Ved videre utvikling av teknologiene som benytter AuNPs, kan det være nyttig å vurdere andre modifikasjoner og funksjoner som kan forbedre både følsomheten og spesifisiteten til assayene. F.eks. kan introduksjon av fluorescerende eller magnetiske etiketter på nanopartiklene åpne nye muligheter for multiparameter deteksjon eller mer presis separasjon av DNA-mål.

Hvordan heterostrukturelle nanohulrom kan forbedre Raman-laserdesign med lavt terskel

Verdien beregnet ved hjelp av den tre-dimensjonale (3D) finite-difference time-domain (FDTD) metoden er mer enn én orden høyere enn det eksperimentelt observerte Q-punktet (Qp_exp) og Q-S punktet (QS_exp). I heterostrukturelle nanohulrom er de eksperimentelle Q-verdiene forventet å være lavere enn de teoretiske verdiene, ettersom radiusen, posisjonen og sidevinkelene på lufthullene avviker fra de ideelle verdiene. Dette skaper spredningstap i nanohulrommet. I tillegg absorberer urenheter og defekter på overflaten og innsiden av silisiumresonatoren lys, noe som også reduserer den eksperimentelle Q-verdien ettersom det fører til absorpsjonstap i resonatoren.

For å redusere de totale tapene er forbedringer i produksjonsprosessen avgjørende. En annen fordel med designet i figur 4.10 er at hulromsvolumene for begge modusene (V_p og V_S) kan reduseres til omtrent en kubisk bølgelengde. Dermed gir dette designet en ekstraordinært høy Qp * QS / V, noe som resulterer i en laserterskel på sub-100 nW. Tredje, frekvensavstanden (Δf = f_p - f_S = c/λ_p - c/λ_S) mellom disse nanohulromsmodusene kan justeres til Raman-forskyvningen for silisiumnanohulrommet, som er 15.606 THz, ved å justere radiusen på lufthullene som vist i figur 4.13a. Denne justerbarheten skyldes den iboende forskjellen i paritet, som får de elektriske feltstyrkene til de to modusene innenfor lufthullene til å være fundamentalt forskjellige. Praktisk sett justeres Δf i figurene 4.10 og 4.12 nært til 15.606 THz når gitterkonstanten a er satt for drift innenfor telekommunikasjonsbåndene mellom 1,30 og 1,60 µm.

Nøyaktig tuning av frekvensavstanden til 15.606 THz er avgjørende for effektiv generering av Raman-spredt lys i Stokes-nanohulrommodusen, ettersom gcavR i formelen i følge [81] følger sammenhengen som vist i Eq. (4.2). Her er g_R_Si Raman-gevinsten for bulk-silisium, og Δ representerer Raman-gevinstbåndbredden, som begge er avhengige av silisiums krystallinitet. V_R er det effektive modulvolumet for Raman-spredning, som vist i Eq. (4.9). Variabelen Δf_det. indikerer det faktiske avviket i Δf fra 15.606 THz. Verdiene for Δf i figurene 4.11 og 4.12 er henholdsvis 15.589 THz og 15.603 THz. Siden økning i Δf_det. reduserer Raman-gevinsten for gcavR, øker dermed I_th som vist i figur 4.13b. Evnen til å kontrollere Δf_det. ved å justere radiusen på lufthullene er en betydelig fordel.

Det bør også bemerkes at heterostrukturelle nanohulrom oppnår en høy Raman-gevinst når de er produsert langs en spesifikk krystallografisk retning på silisium-auf-silisium-substratet (SOI). Figur 4.14a viser de beregnede komponentene i det elektriske feltet for pumpenanohulrommodusen, merket som Ex_pump og Ey_pump, henholdsvis. På samme måte viser figur 4.14b de tilsvarende elektriske feltfordelingene for Stokes-nanohulrommodusen, merket som Ex_Stokes og Ey_Stokes. Disse feltfordelingene ble hentet ved hjelp av FDTD-metoden. På grunn av deres opprinnelse i forskjellige propageringsmoduser, har Ex_pump og Ex_Stokes forskjellige pariteter. Dette gjelder også for Ey_pump og Ey_Stokes. Imidlertid har de kryssede feltkomponentene, som Ex_pump og Ey_Stokes, samme linjesymmetri og viser lignende distribusjoner. Derfor, dersom polarisasjonen av lyset som er innesluttet i pumpemodusen roterer 90° i x-y-planet gjennom Raman-spredningsprosessen, kan den Raman-spredte lyset effektivt innkapsles i Stokes-modusen. Denne oppdagelsen er viktig, da den demonstrerer at dette unike paret av moduser kan betydelig forbedre Raman-gevinsten ved nøye valg av den krystallografiske orienteringen der nanohulrommet er fremstilt.

Når enheten bygges på et standard (100) silisium-auf-silisium-substrat, kan x-aksen til nanohulrommet justeres med enten [100]- eller [110]-krystallografiske retninger. Figur 4.14c viser en mikroskopisk modell for Raman-spredning i planet når x-aksen til hulrommet justeres med [100]-retningen i silisium. Bare tverr-elektriske (TE)-polariserte moduser vurderes her, som vist i figurene 4.14a og b, mens tverr-magnetiske (TM)-polariserte bølger (Ez) utelukkes fra analysen.

For å oppnå de beste resultatene med Raman-silisiumlasere med lav terskel, er det avgjørende å optimalisere både de geometriske parametrene som lufthullradius og resonatorens krystallografiske orientering. Gjennom nøyaktig kontroll av disse parametrene kan man oppnå høy Raman-gevinst og dermed redusere de nødvendige pumpetapene for å initiere laseren.

Hvordan eksitoner og plasmons samhandler i J-aggregater på gullsubstrater

J-aggregater består av organiske molekyler som danner lange kjeder der eksitonene, som er elektroniske eksitasjoner i molekylene, kan bevege seg langs kjeden. I disse systemene kan interaksjoner mellom nabo-monomerer og kopling til overflateplasmons polaritoner (SPP) dramatisk endre de optiske egenskapene, og dermed også den elektroniske dynamikken i materialet. Denne koplingen kan føre til en betydelig delokalisering av eksitonene, som kan forbedre deres transport og reaksjonsevne på lys.

Når vi ser på systemer der J-aggregater er plassert på et gullsubstrat, får vi en interessant forsterkning av eksitonene gjennom koblingen til SPP-modusen. Denne koblingen innebærer at eksitonene, som normalt ville være lokalisert på spesifikke deler av kjeden på grunn av forstyrrelser, blir delokalisert over flere segmenter. Denne prosessen skjer takket være at eksitonene kobles sammen via den anisotrope koplingen til plasmons, som hovedsakelig skjer langs kjedens retning. Dette fører til dannelsen av superposisjonstilstander der eksitonene ikke lenger er lokalisert på et bestemt sted, men snarere er spredt over flere segmenter av kjeden, noe som gjør dem mer delokaliserte.

I fravær av kobling til SPP-modusen, oppfører eksitonene seg som i et vanlig Frenkel-exciton system, der lys kun kan eksitere eksitonene i et begrenset område. Men når SPP-koplingen er til stede, får eksitonene et betydelig større område for interaksjon, og deres bølgefunksjoner blir mer utbredt. Dette skjer ved at eksitoner med lik karakter og energi, men som er romlig adskilt, begynner å samhandle og danne nye tilstander. Disse tilstandene har høyere oscillatorstyrke og kan derfor ha en mer intensiv respons på ekstern bestråling, som gir en forsterket optisk respons, spesielt i de ikke-lineære spektrene.

Et interessant aspekt ved disse endringene er at de ikke kan forklares bare med en liten justering av den nærmeste nabo-koplingen. Faktisk viser simuleringene at SPP-koplingen er den dominerende faktoren for å redusere linjebredde og inhomogen bredning, noe som gjør systemet mer homogent og forbedrer den optiske ytelsen. Dette blir tydelig ved at spektrene for aggregater på gullsubstrat viser en reduksjon av den inhomogene linjebredningen og en rød forskyvning i 2DES-spektraene, noe som peker på en forbedring i eksitonens koherenslengde.

For aggregater på glasssubstrater var den eksitoniske koherenslengden betydelig kortere. Imidlertid, når aggregatene ble deponert på gull, ble koherenslengden forbedret med omtrent 2,4 ganger, noe som kan forklares gjennom den plasmoniske koplingen til gulloverflaten. Denne forsterkede koherensen har også viktige implikasjoner for applikasjoner som involverer rask lysbryting eller kvanteemittere, som kan dra nytte av de forbedrede egenskapene til de delokaliserte eksitonene i slike systemer.

Videre kan den observerte forsterkningen av den ikke-lineære responsen i 2DES-spektraene også forstås gjennom at SPP-modusen forbedrer oscillatorstyrken til de superradiant eksitonene. Denne effekten resulterer i at både 0-X og X-XX overganger blir betydelig sterkere, som igjen kan ha viktige konsekvenser for hvordan systemet reagerer på ekstern eksitasjon, og gir bedre kontroll over eksitontransport og -kontroll.

En viktig observasjon er at dette systemet også har en redusert vibronisk kobling, noe som betyr at energitransporten i systemet kan forbedres ytterligere. Dette er spesielt relevant for squaraine-baserte J-aggregater, som har den egenskapen at de har svake vibroniske koblinger, og derfor kan være attraktive for applikasjoner som krever lang koherenslengde og rask respons på lys.

I konklusjon kan vi si at plasmon-forsterket eksiton-delokalisering i J-aggregater gir et betydelig løft til både optiske og elektroniske egenskaper, noe som kan være viktig for fremtidige applikasjoner innen optoelektronikk, kvanteemittere og lysbryting på nanoskal nivå. Den langtrekkende koherensen av eksitonene skapt gjennom SPP-koblingen gir nye muligheter for design av materialer med spesifikke egenskaper for kvanteapplikasjoner og optiske nettverk.

Hva er strukturelle farger og hvordan påvirker de design og teknologi?

I vår fargerike verden er det de stilige svarte og hvite overflatene som fremdeles fanger designeres oppmerksomhet. Strukturelt svart, brukt for dekorative formål, ble først utviklet gjennom antirefleksbelegg for optoelektroniske enheter som hovedsakelig brukes i solcellepaneler eller stråleblokkerere. For å oppnå denne typen farging er det ønskelig å ha tilfeldig teksturerte overflater, slik at lyset spres på en diffus måte og ikke reflekteres spekulært. Avhengig av form og størrelse på reliefdetaljene vil overflaten fremstå som hvit, grå eller svart. Store (mikron-størrelse) og glatte strukturer eller mikrolinser gir hvit farge, mens små (nanometristiske), skarpe strukturer laget av eller dekket med absorberende materialer, gir en svart farge.

Matt eller glansfullt utseende kan oppnås ved å skalere strukturenes størrelse under diffraksjonsgrensen. Et av de første forslagene til bruk av nanostrukturerte plastoverflater dekket med absorberende materiale (metallbelegg), for å øke visuell kontrast, ble fremmet av Christiansen et al. [36]. I figuren som ble presentert, vises et bilde og SEM (scanning electron microscope) av et prøvemateriale som viser den visuelle effekten og den tilhørende overflatemorfologien. Metallet som ble påført på et dielektrisk materiale med antirefleksjonsegenskaper, viste seg å fremstå som svart. Dette kunne forstås ved en gradvis endring av brytningsindeksen, selv om morfologien til den teksturerte overflaten også kunne indusere plasmongap-modes.

En annen bemerkelsesverdig fremstilling av strukturell svart farge ble nylig publisert av Tao et al. [37]. I deres arbeid kombinerte de makro- og nanostrukturer for å lage flytende QR-koder. Igjen ble den svarte fargen generert ved hjelp av en tapet dielektrisk nanostruktur som var dekket med et metall som absorberte lys i et polarisasjonsuavhengig regime. Dette kan ses i figuren som viser en svært detaljert fremstilling av hvordan de nanostrukturerte overflatene ga den ønskede visuelle effekten.

Interferensbasert farging, som er en gammel metode, er fortsatt relevant i dagens teknologi. Et eksempel på dette er hvordan det er mulig å oppnå stabile farger ved hjelp av en forbedret Fabry–Perot-hulrommetode, som ble beskrevet tidligere i kapitlet. Denne teknikken kan produsere strukturelle farger som er stabile selv når betingelsene endres, noe som kan være nyttig i design og industrielle applikasjoner.

I forbindelse med nanofabrikasjon og produksjon av 2D-strukturer er det flere utfordringer å ta hensyn til. For å møte kravene til industrielle applikasjoner må det vurderes flere faktorer som skalerbarhet, oppløsning, kostnad, kvaliteten på materialinteraksjonen og strukturenes levetid.

En av de viktigste utfordringene i nanoteknologi er å utvikle effektive metoder for fabrikasjon av 2D-strukturer i stor skala. Tradisjonelle metoder som elektron-strålelithografi (EBL) og fokusert ionestråleskjæring (FIB) gir eksepsjonell oppløsning, men de har begrensninger på grunn av deres langsomme prosesseringshastighet og høye kostnader. Disse teknikkene egner seg bedre for småskala applikasjoner, rask prototyping, eller produksjon av støpeformer som er nødvendige for repliceringsteknikker som tillater kostnadseffektiv produksjon i stor skala.

En lovende alternativ metode er roll-to-roll (R2R) prosessering og nanoimprint-lithografi (NIL). Disse metodene gjør det mulig å produsere strukturelle farger på stor skala med høy effektivitet og lavere kostnader. Selv om det finnes utfordringer knyttet til presisjon og uniformitet på tvers av hele overflaten, gir R2R og NIL teknologiene muligheten til å produsere store mengder strukturelt fargede overflater med høy gjennomstrømning.

Selvorganiserte monolag (SAMs) representerer en annen lovende tilnærming innen R2R-produksjon, hvor polystyren- eller silikasfærer organiserer seg selv for å danne maler eller kolloidale fotoniske krystaller. Teknikker som spin-coating, Langmuir-Blodgett (LB) montering og kapillærkraftsmontering er noen av metodene som gir distinkte fordeler, men som også har sine egne utfordringer, som defekter forårsaket av imperfeksjoner i partikkelarrangementet.

Kontroll av partikkelstørrelse, spesielt for nanopartikler mindre enn 10 nm, har også vist seg å være en utfordring med tradisjonelle selvorganiseringsteknikker. For å overvinne disse begrensningene er det nødvendig med forbedringer av selvorganiseringsprosessene, og en ny metode basert på topografi-assistert selvorganisering har blitt utviklet for å kontrollere defektene som oppstår under prosessen.

Når man ser på fabrikasjonen av strukturelle farger, er det viktig å forstå at prosessen ikke bare handler om å lage vakre farger. Det er en kombinasjon av optiske, mekaniske og industrielle krav som må tas hensyn til for å kunne utnytte disse materialene på en praktisk og kostnadseffektiv måte.

Hvordan forutsi og kompensere for termiske og fler-akselfeil i CNC-utstyr ved sliping av tannhjul
Hvordan forstå spinne- og gitterkontinuum i metaller og magnetiske materialer
Hvordan magnetfelt påvirker stjernesystemer og interstellar materie
Hvordan identifisere broens modal egenskaper ved hjelp av kjøretøyets kontaktrespons
Hvordan realiseres Schrödinger-representasjonen i rommet av raskt avtagende funksjoner?