Hvordan justere avstanden mellom gullnanopartikler ved hjelp av alkylkjeder?

Overflatemodifikasjon av gullnanopartikler (AuNP) har blitt et viktig verktøy i nanoteknologi, spesielt for kontrollert dannelse av dimere og høyere multimere strukturer. I denne sammenhengen ble AuNPs modifisert med COOH-terminerte alkanetioalkoholer gjennom van-der-Waals-interaksjon mellom alkylkjeder, noe som åpner for presis kontroll over avstanden mellom nanopartiklene. Denne metoden har blitt utviklet og optimalisert for å oppnå ønskede dimerer og multimere, samtidig som uønsket aggregasjon ble unngått.

Ved å endre lengden på alkylkjedene i alkanetioalkoholene, kan forskere justere gapet mellom AuNPene. Dette eksperimentet, utført på AuNPs med forskjellige diameterstørrelser (fra 20 nm til 80 nm), demonstrerte hvordan justeringen av alkylkjedenes lengde påvirker dannelsen av dimerer og multimere. En viktig observasjon var at kortere alkylkjeder førte til mindre mellomrom mellom partiklene, noe som bekreftes ved en rødshift i plasmonresonansens spektrum.

Modifikasjonen av AuNPene skjer ved at de vaskes og deretter suspenderes i et modifisert buffertsystem som inneholder BSPP, TBE og NaCl i spesifikke konsentrasjoner, tilpasset partiklenes størrelse. Alkanetioalkoholene som benyttes i studien er R5-COOH, R7-COOH, R10-COOH og R15-COOH, som representerer alkylkjeder av forskjellige lengder. For eksempel, for 40 nm AuNP, ble forholdet mellom alkanetioalkohol og AuNP satt til 26 000:1, og for de andre partikkelstørrelsene ble dette forholdet justert tilsvarende.

Etter modifikasjonen ble de u bundne alkanetioalkoholene fjernet ved sentrifugering, og suspensjonen ble deretter vasket flere ganger før den ble resuspensjonert i en bindingbuffer for videre analyse. Gel-elektroforese ble brukt til å rense suspensjonene, og både monomerer, dimere og trimere ble isolert og analysert for størrelse og uniformitet. Resultatene av elektroforese viste klare båndseparasjoner, som demonstrerte dannelsen av veldefinerte AuNP-dimerer, trimere og høyere multimere.

For å forstå mekanismen bak dannelsen av disse strukturene, ble FDTD-simuleringer utført, og de viste hvordan avstanden mellom AuNPene påvirker absorpsjonsspektraene. Simuleringene antydet at det var en kontinuerlig forskyvning mot lengre bølgelengder etter hvert som partikkelkonfigurasjonene endret seg fra triangulære til lineære arrangementer.

Det er viktig å merke seg at van-der-Waals-koplingen mellom alkylkjeder er en avgjørende mekanisme for dannelsen av disse dimerene og multimere. Denne interaksjonen er grunnlaget for den fine kontrollen som oppnås over avstanden mellom nanopartiklene, som igjen påvirker deres optiske egenskaper. Det viser også hvordan en presis forståelse av partikkelinteraksjoner kan benyttes til å designe materialer med spesifikke egenskaper for ulike applikasjoner innenfor biosensorer, katalyse og nanomedisin.

For å oppnå enda mer kontrollert dannelse av multimere, kan det være nyttig å utforske bruken av andre typer alkylkjeder og funksjonelle grupper, samt finjustere parametrene for den kjemiske modifikasjonen. Samtidig gir dette forskningen et grunnlag for å videreutvikle metoder for målrettet levering av molekyler eller for produksjon av nanopartikelsystemer med ønsket egenskaper.

Hvordan Raman-silikonlasere med høy-Q nanohulrom fungerer: Prinsipper og ytelsesanalyse

Raman-silikonlasere representerer en viktig utvikling innen optoelektronikk, og deres effektivitet er sterkt knyttet til resonatorens kvalitet og struktur. Den første demonstrasjonen av en kontinuerlig bølgeoperasjon for en Raman-silikonlaser ved romtemperatur ble rapportert i 2005, og siden den gang har forskningen rettet seg mot å redusere terskelen for lasing og miniaturisere systemene for anvendelser på silisiumbrikker. For å oppnå dette er resonatorer med høy-Q-faktor og små modalvolumer avgjørende.

Men det er en utfordring i å redusere volumet av resonatorene uten å senke Q-faktoren. Ifølge prinsippene for lysbrytning i optikk vil et mindre resonatorvolum generelt føre til et lavere Q-nivå, da den elektromagnetiske feltfordelingen ved kantene av resonatoren endres raskt og øker tapet av lys som ikke oppfyller totalrefleksjonsbetingelsene. I fotoniske krystall-nanohulrom er dette imidlertid en mer kompleks situasjon. Ved å finjustere plasseringen av luft-hullene i strukturen kan den elektromagnetiske feltfordelingen tilpasses slik at lys blir mer effektivt fanget.

Nanohulrom med volum på ordrenivå med bølgelengden og teoretiske Q-faktorer som overgår 100 millioner, har blitt oppnådd. Eksperimentelt er det også demonstrert ultra-høye Q-faktorer på rundt 10^8. Dette har muliggjort utviklingen av Raman-silikonlasere med lave lasing-terskler. For eksempel, i CMOS-kompatible prosesser er det rapportert Q-faktorer på over tre millioner.

Hvordan kan Raman-silikon nanocavitetlasere med heterointerfacespeil forbedre optoelektroniske kretser?

Raman-silikon nanocavitetlasere, med et design som tillater minimal prosesseringsinnsats, har vist et sterkt potensial for integrering i optoelektroniske kretser. Spesielt når det gjelder bruk av kantemitterende Raman-silikon nanocavitetlasere, er det klart at denne teknologien kan gi betydelige fordeler for integrerte kretsløp, spesielt når lysutslipp fra bølgeguidekanten er optimalisert.

HMS-laserens kjerneinnretning er enheter som har et heterostruktur nanocavity design med to tilstøtende bølgeguider. Ved å plassere flere nanocavitetter i en serie, kan individuelle lasere måles mer effektiv

Hvordan molekylær adsorpsjon påvirker nanorørens optiske egenskaper

I nyere studier av karbon-nanorør (CNT) har molekylær adsorpsjon vist seg å ha en betydelig effekt på både de elektroniske og optiske egenskapene til disse nanostrukturene. Det er spesielt interessant at adsorpsjonstiden, som er den tiden det tar for molekyler å adsorbere på overflaten av nanotubene, er betydelig lengre enn desorpsjonstiden, noe som setter en grense for hvor raskt man kan skrive om minne i nanotubens optiske minnesystemer. Eksperimentelle data viser at selv om det ble utført målinger ved høyere effektnivåer, er det ingen tydelig effekt av effekten på adsorpsjonstiden. Denne fraværet av kraftavhengighet er forventet, ettersom adsorpsjonstiden i hovedsak kun er avhengig av molekylkollisjonsfrekvensen, og ikke av eksitasjonspulsen. Molekylær adsorpsjon på nanotuben påvirker den optiske bistabiliteten, hvor nanorørene kan veksle mellom to tilstander ved en enkel endring i lasereffekten.

Nanotuben kan operere som et reversibelt optisk minne, der utskiftning mellom den varme, desorberte tilstanden og den kalde, adsorberte tilstanden skjer raskt og effektivt. Dette minnet er ikke bare pålitelig og reproduserbart, men det gir også et direkte mål på nanotubens tilstand, ettersom emisjonsenergien endres samtidig. En annen interessant effekt av molekylær adsorpsjon er hvordan den påvirker den optiske absorpsjonen gjennom molekylær screening, som kan låse nanotuben i en bestemt tilstand, avhengig av resonansfrekvensen knyttet til molekylopptak.

Effekten av molekylær adsorpsjon er tydelig når man ser på hvordan den påvirker eksiton-karrier interaksjoner i nanotubene. Denne interaksjonen kan endres gjennom molekylær screening som påvirker energinivåene til eksitonene og trionene (ladde eksitoner). I laboratorieeksperimenter er det påvist at molekylær adsorpsjon fører til en reduksjon i det elektroniske båndgapet til nanotubene. Det er særlig et målbart skifte i det elektriske potensialet når man sammenligner den rene tilstanden til nanotuben med den molekylært adsorberte tilstanden, og dette skiftet kan påvirke nanotubens kjemiske potensial.

Ved å bruke felt-effekt transistor (FET)-konfigurasjoner, er det også mulig å studere hvordan adsorpsjon påvirker optiske egenskaper som fluorescensintensitet. I en typisk FET-enhet med suspendert nanotube kan gate-spenningen induseres for å kontrollere både eksiton- og trionutslipp. Her ble det observert en merkbar rødforskyvning i eksitonens emisjon, og en økning i trionutslippet ved lavere spenning. Disse effektene kan være en direkte konsekvens av molekylær screening som reduserer bindingen av trionene og dermed endrer nanotubens optiske respons.

Det er viktig å merke seg at effekten av molekylær adsorpsjon ikke bare er begrenset til endringer i energinivåene til eksitonene, men også påvirker nanotubens mekanisme for å opprettholde et stabilt optisk minne. Molekylene som adsorberes på nanotubens overflate kan derfor fungere som en katalysator for å opprettholde en bestemt tilstand i et minnesystem, noe som åpner for nye muligheter i utviklingen av ultra-kompakte optiske minne-enheter.

For å forstå den fullstendige effekten av molekylær adsorpsjon på nanotubens optiske egenskaper, er det viktig å også vurdere hvordan ulike molekylers egenskaper kan endre adsorpsjonsprosessen. Økt fuktighet kan for eksempel øke kollisjonsfrekvensen mellom molekylene og nanotubens overflate, noe som kan forkorte adsorpsjonstiden. Dermed kan eksperimenter som involverer ulike molekylære forhold og fuktighetsnivåer gi ytterligere innsikt i hvordan nanotuber kan brukes i fremtidens optiske enheter.