科学家控制纳米级的热型材

来自华盛顿大学化学副教授的David J. Masiello的手写笔记。

在人类规模，控制温度是一个直接的概念。乌龟晒太阳自己保持温暖。冷却从烤箱新鲜的馅饼，将其放在室温下面。

在纳米级 - 在距离小于1/100的距离上，最薄的人毛毛的宽度更加困难。纳米级距离如此小，以至于物体容易热耦合：如果一个物体高达一定的温度，它的邻居也是如此。

当科学家使用光束作为热源时，有一个额外的挑战：由于热扩散，光束路径中的材料热量高达大致相同的温度，使得难以操纵光束内物体的热型材。科学家从来没有能够单独使用光线以主动地形状和控制纳米级的热景观。

至少，直到现在。

在ACS Nano JUNK 7月30日发布的一篇论文中，研究人员团队报告说，他们已经设计和测试了一种使用近红外激光器主动加热两款金纳米棒 - 金属杆的实验系统，该系统在纳米级 - 到不同的温度。纳米棒如此靠近，它们既电磁又热耦合。然而，由华盛顿大学大学研究人员领导的团队，赖斯大学和寺院大学，杆之间的温度差异高达20摄氏度。通过简单地改变激光的波长，它们也可以改变纳米棒冷却，即使杆由相同的材料制成。

“如果你在桌子上彼此相邻的两个类似的物体，通常你希望它们在相同的温度。纳米尺度同样是真的，“在分子与工程科学研究所和纳米工程系统研究所和纳米工程系统中的化学和教师教授的UW教授。“在这里，我们可以将相同材料组合物的两个耦合物体暴露于同一梁上，其中一个物体将比另一个物体温暖。”

Masiello的团队表演了设计该系统的理论模型。他与Cye Cheuary大学化学和电气和计算机工程学教授和寺庙大学化学副教授，凯瑟琳·威尔茨教授合作，以及寺庙大学的凯瑟琳·威尔茨（Compy Compy）和凯瑟琳Willets合作。

它们的系统由两种纳米棒组成，由金 - 一个150纳米长，其他250纳米长，或比最薄的人的头发更薄约100倍。研究人员将纳米棒靠近，终止于由甘油包围的玻璃载玻片上。

该P显示有证据表明将两个纳米棒加热到不同的温度。研究人员收集了关于加热的纳米棒和周围甘油的散射光子的数据来自绿光的光子。五图示出了五个不同波长的散射光的强度，并且插入散射光的图像。箭头表示峰值强度在不同波长下移位，间接符号将纳米棒加热到不同的温度。

他们为特定原因选择了黄金。响应于近红外激光器的能量来源，金内的电子可以“振荡”。这些电子振荡或表面等离子体共振有效地将光线转换为热量。虽然两个纳米棒都是由金制成的，但它们不同的尺寸依赖性等离子体偏振意味着它们具有不同的电子振荡模式。Masiello的团队计算出，如果纳米棒等离子体用相同或相反的相位振荡，它们可以达到不同的温度 - 反击热扩散的影响。

链接和Willets的团体设计了实验系统，并通过在纳米棒上闪烁近红外激光来测试它。它们研究了在两个波长的梁的效果 - 一个用于使纳米棒等离子体具有相同相位的纳米棒等离子体。

该团队不能直接测量纳米级的每个纳米棒的温度。相反，它们收集了关于加热纳米棒和周围甘油的数据如何从单独的绿光束散射光子。Masiello的团队分析了这些数据，并发现纳米棒由于纳米棒之间的温度差异而不同地从绿色梁折射光子。

“这种间接测量表明，即使它们暴露于相同的近红外梁，纳米棒已被加热到不同的温度，并且足够接近热耦合，”UW博士候选人化学系。

该团队还发现，通过改变近红外光的波长，它们可以改变纳米棒 - 短或长 - 加热更多。激光器可以基本上充当可调谐的“开关”，改变波长以改变纳米棒更热的。纳米棒之间的温度差异也基于它们的距离而变化，但达到高于室温高达20摄氏度。

该团队的研究结果具有一系列基于纳米级温度的应用。例如，科学家可以设计与纳米级精度的光热控制化学反应或用于过滤微小生物分子的温度触发的微流体通道的材料。

研究人员正在努力设计和测试更复杂的系统，例如纳米棒的集群和阵列。这些需要更复杂的建模和计算。但鉴于迄今取得的进展，Masiello乐观表明理论和实验研究群体之间的这种独特的伙伴关系将继续取得进展。

“这是一个团队的努力，结果是在制作中的岁月，但它的努力，”马西罗说。

West的联合作者论文是瑞典工程科学和技术研究所的赖斯大学前研究员Ujjal Bhattacharjee，富豪大学的研究员Shibpur和Seyyed Ali Hosseini Jebeli。共同作者是UW化学系的博士生哈里森Goldwyn和Elliot Beutler; Xiang-Tian Kong和中卫胡均在UW化学系中的研究员;米饭中前研究科学家和魏顺昌，现在是马萨诸塞州大学化学和生物化学助理教授。该研究由国家科学基金会，罗伯特A. Welch基金会和华盛顿大学资助。

出版物：Ujjal Bhattacharjee等，通过等离子体杂交，ACS nano（2019）的热近场的活跃远场控制。DOI：10.1021 / ACSNANO.9B04968