Nanopartículas plasmónicas

Simulación FDTD de la interacción de una onda plana pulsada con nanopartículas plasmónicas ^[1]

Las nanopartículas plasmónicas son partículas cuya densidad electrónica puede acoplarse con radiación electromagnética de longitudes de onda mucho mayores que la partícula debido a la naturaleza de la interfaz dieléctrica - metal entre el medio y las partículas: a diferencia de un metal puro donde hay un límite máximo de qué tamaño de longitud de onda se puede acoplar eficazmente en función del tamaño del material. ^[2]

Lo que diferencia a estas partículas de los plasmones de superficie normales es que las nanopartículas plasmónicas también exhiben interesantes propiedades de dispersión , absorbancia y acoplamiento basadas en sus geometrías y posiciones relativas. ^{[3] [4]} Estas propiedades únicas las han convertido en un foco de investigación en muchas aplicaciones, incluidas células solares, espectroscopia, mejora de señales para imágenes y tratamiento del cáncer. ^{[5] [6]} Su alta sensibilidad también los identifica como buenos candidatos para diseñar instrumentación mecanoóptica. ^[7]

Los plasmones son las oscilaciones de los electrones libres que son consecuencia de la formación de un dipolo en el material debido a ondas electromagnéticas. Los electrones migran en el material para restaurar su estado inicial; sin embargo, las ondas de luz oscilan, lo que provoca un cambio constante en el dipolo que obliga a los electrones a oscilar a la misma frecuencia que la luz. Este acoplamiento sólo ocurre cuando la frecuencia de la luz es igual o menor que la frecuencia del plasma y es mayor en la frecuencia del plasma que, por lo tanto, se llama frecuencia resonante . Las secciones transversales de dispersión y absorbancia describen la intensidad de una frecuencia determinada que se dispersará o absorberá. Existen muchos procesos de fabricación o métodos de síntesis química para la preparación de dichas nanopartículas, según el tamaño y la geometría deseados.

Las nanopartículas pueden formar grupos (las llamadas "moléculas plasmónicas") e interactuar entre sí para formar estados de grupo. La simetría de las nanopartículas y la distribución de los electrones dentro de ellas pueden afectar un tipo de carácter de enlace o antienlazamiento entre las nanopartículas de manera similar a los orbitales moleculares. Dado que la luz se acopla con los electrones, la luz polarizada se puede utilizar para controlar la distribución de los electrones y alterar el símbolo del término muliken para la representación irreducible. Se puede utilizar cambiar la geometría de las nanopartículas para manipular la actividad óptica y las propiedades del sistema, pero también puede hacerlo la luz polarizada al reducir la simetría de los electrones conductores dentro de las partículas y cambiar el momento dipolar del grupo. Estos grupos se pueden utilizar para manipular la luz a escala nanométrica. ^[8]

Teoría

Las ecuaciones cuasiestáticas que describen las secciones transversales de dispersión y absorbancia para nanopartículas esféricas muy pequeñas son:

${\displaystyle {{\sigma }_{\rm {scatt}}}={\frac {8\pi }{3}}{{k}^{4}}{{R}^{6}}{{\left|{\frac {{{\varepsilon }_{\rm {particle}}}-{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}{{{\varepsilon }_{\rm {particle}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}}\right|}^{2}}}$

${\displaystyle {{\sigma }_{\rm {abs}}}=4\pi k{{R}^{3}}\operatorname {Im} \left|{\frac {{{\varepsilon }_{\rm {particle}}}-{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}{{{\varepsilon }_{\rm {particle}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}}\right|}$

donde es el número de onda del campo eléctrico, es el radio de la partícula, es la permitividad relativa del medio dieléctrico y es la permitividad relativa de la nanopartícula definida por ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle {{\varepsilon }_{\rm {medium}}}}$ ${\displaystyle {{\varepsilon }_{\rm {particle}}}}$

${\displaystyle {{\varepsilon }_{\rm {particle}}}=1-{\frac {\omega _{\rm {p}}^{2}}{{{\omega }^{2}}+\mathrm {i} {\omega }{\gamma }}}}$

También conocido como modelo Drude para electrones libres, donde es la frecuencia del plasma , es la frecuencia de relajación de la carga que transporta y es la frecuencia de la radiación electromagnética. Esta ecuación es el resultado de resolver la ecuación diferencial de un oscilador armónico con una fuerza motriz proporcional al campo eléctrico al que está sometida la partícula. Para una derivación más completa, véase plasmón de superficie . ${\displaystyle {{\omega }_{\rm {p}}}}$ ${\displaystyle {\gamma }}$ ${\displaystyle \omega }$

Lógicamente se deduce que las condiciones de resonancia para estas ecuaciones se alcanzan cuando el denominador está alrededor de cero, de modo que

${\displaystyle {{\varepsilon }_{\rm {particle}}}+2{{\varepsilon }_{\rm {medium}}}\approx 0}$

Cuando se cumple esta condición las secciones transversales son máximas.

Estas secciones transversales son para partículas individuales y esféricas. Las ecuaciones cambian cuando las partículas no son esféricas o están acopladas a una o más nanopartículas, como cuando cambia su geometría. Este principio es importante para varias aplicaciones.

Se realizó un riguroso análisis electrodinámico de las oscilaciones del plasma en una nanopartícula metálica esférica de tamaño finito. ^[9]

Aplicaciones

Células solares plasmónicas

Debido a su capacidad para dispersar la luz dentro de la estructura fotovoltaica y su baja absorción, las nanopartículas plasmónicas se están investigando como método para aumentar la eficiencia de las células solares. ^{[10] [5]} Forzar la absorción de más luz por el dieléctrico aumenta la eficiencia. ^[11]

Los plasmones pueden excitarse mediante radiación óptica e inducir una corriente eléctrica a partir de electrones calientes en materiales fabricados a partir de partículas de oro y moléculas de porfina sensibles a la luz , de tamaños precisos y patrones específicos. La longitud de onda a la que responde el plasmón es función del tamaño y el espaciado de las partículas. El material se fabrica mediante nanolitografía ferroeléctrica . En comparación con la fotoexcitación convencional , el material produjo de tres a diez veces la corriente. ^{[12] [13]}

Espectroscopia

En los últimos cinco años se han explorado las nanopartículas plasmónicas como método de espectroscopía de alta resolución . Un grupo utilizó nanopartículas de oro de 40 nm que habían sido funcionalizadas de manera que se unieran específicamente a los receptores del factor de crecimiento epidérmico para determinar la densidad de esos receptores en una célula. Esta técnica se basa en el hecho de que la geometría efectiva de las partículas cambia cuando aparecen dentro de un diámetro de partícula (40 nm) entre sí. Dentro de ese rango, se puede recuperar información cuantitativa sobre la densidad de EGFR en la membrana celular basándose en el cambio en la frecuencia de resonancia de las partículas plasmónicas. ^[14]

Tratamiento para el cáncer

Las nanopartículas plasmónicas han demostrado un amplio potencial para el establecimiento de tratamientos innovadores contra el cáncer. ^[15] A pesar de ello, todavía no se utilizan nanomateriales plasmónicos en la práctica clínica debido a la persistencia del metal asociada. ^[15] La investigación preliminar indica que algunos nanomateriales, entre los que se encuentran las nanobarras de oro ^[16] y las arquitecturas ultrapequeñas en nano, ^[17] pueden convertir la luz láser IR en calor localizado, también en combinación con otros tratamientos contra el cáncer establecidos . ^[18]

Ver también

• Plasmón de superficie localizado
• Metamateriales plasmónicos

Referencias

1. Guay, Jean-Michel; Lesina, Antonino Calá; Côté, Guillaume; Charrón, Martín; et al. (2017). "Colores plasmónicos inducidos por láser sobre metales". Comunicaciones de la naturaleza . 8 : 16095. arXiv : 1609.02874 . Código Bib : 2017NatCo...816095G. doi : 10.1038/ncomms16095 . PMC  5520110 . PMID  28719576.
2. Eustis, Susie; El-Sayed, Mostafa A. (2006). "Por qué las nanopartículas de oro son más preciosas que el oro bonito: resonancia de plasmón de superficie de metal noble y su mejora de las propiedades radiativas y no radiativas de nanocristales de diferentes formas". Reseñas de la sociedad química . 35 (3): 209–217. doi :10.1039/b514191e. PMID  16505915.
3. Chen, Tianhong; Pourmand, Mahshid; Feizpour, Amin; Cushman, Bradford; Reinhard, Björn M. (3 de julio de 2013). "Adaptación del acoplamiento de plasmones en cadenas de nanopartículas de Au unidimensionales autoensambladas mediante el control simultáneo del tamaño y la separación de espacios". La Revista de Letras de Química Física . 4 (13): 2147–2152. doi :10.1021/jz401066g. PMC 3766581 . PMID  24027605. 
4. Zeng, Shuwen; Yu, Xia; Ley, Wing-Cheung; Zhang, Yating; Hu, Rui; Dinh, Xuan-Quyen; Ho, Ho-Pui; Yong, Ken-Tye (enero de 2013). "Dependencia del tamaño de la resonancia de plasmón de superficie mejorada con Au NP basada en la medición de fase diferencial". Sensores y Actuadores B: Químicos . 176 : 1128-1133. doi :10.1016/j.snb.2012.09.073.
5. Yu, Peng; Yao, Yisen; Wu, Jiang; Niu, Xiaobin; Rogach, Andrey L.; Wang, Zhiming (9 de agosto de 2017). "Efectos de las nanopartículas de núcleo metálico plasmónico y cubierta dieléctrica sobre la mejora de la absorción de luz de banda ancha en células solares de película delgada". Informes científicos . 7 (1): 7696. Código bibliográfico : 2017NatSR...7.7696Y. doi :10.1038/s41598-017-08077-9. PMC 5550503 . PMID  28794487. 
6. Wu, Jiang; Yu, Peng; Susha, Andrei S.; Sablón, Kimberly A.; Chen, Haiyuan; Zhou, Zhihua; Li, Handong; Ji, Haining; Niu, Xiaobin; Govorov, Alexander O.; Rogach, Andrey L.; Wang, Zhiming M. (abril de 2015). "Mejora de la eficiencia de la banda ancha en células solares de puntos cuánticos acopladas con nanoestrellas plasmónicas de múltiples puntas". Nanoenergía . 13 : 827–835. doi :10.1016/j.nanoen.2015.02.012. S2CID  98282021.
7. Hurtado-Avilés, EA; Torres, JA; Trejo-Valdez, M.; Urriolagoitia-Sosa, G.; Villalpando, I.; Torres-Torres, C. (28 de octubre de 2017). "Detección acústico-plasmónica asistida por interacciones ópticas no lineales en nanopartículas bimetálicas de Au-Pt". Micromáquinas . 8 (11): 321. doi : 10.3390/mi8110321 . PMC 6189711 . PMID  30400510. 
8. Chuntonov, Lev; Harán, Gilad (8 de junio de 2011). "Moléculas plasmónicas triméricas: el papel de la simetría". Nano Letras . 11 (6): 2440–2445. Código Bib : 2011NanoL..11.2440C. doi :10.1021/nl2008532. PMID  21553898.
9. Belyaev, Licenciado en Letras; Tyurnev, VV (agosto de 2016). "Resonancias de oscilaciones electromagnéticas en una nanopartícula metálica esférica". Cartas de Tecnología Óptica y Microondas . 58 (8): 1883–1886. doi :10.1002/fregona.29930.
10. Yue, Zengji; Cai, Boyuan; Wang, Lan; Wang, Xiaolin; Gu, Min (4 de marzo de 2016). "Nanoestructuras dieléctricas plasmónicas intrínsecamente núcleo-cubierta con índice de refracción ultraalto". Avances científicos . 2 (3): e1501536. Código Bib : 2016SciA....2E1536Y. doi :10.1126/sciadv.1501536. PMC 4820380 . PMID  27051869. 
11. Ferry, Vivian E.; Munday, Jeremy N.; Atwater, Harry A. (16 de noviembre de 2010). "Consideraciones de diseño para energía fotovoltaica plasmónica". Materiales avanzados . 22 (43): 4794–4808. Código Bib : 2010AdM....22.4794F. doi :10.1002/adma.201000488. PMID  20814916.
12. "Un nuevo método para aprovechar la energía de la luz". Kurzweil Acelerando la Inteligencia . Biblioteca Kurzweil. 12 de septiembre de 2013 . Consultado el 9 de febrero de 2020 .
13. Conklin, David; Nanayakkara, Sanjini; Parque, Tae-Hong; Lagadec, Marie F.; Stecher, Josué T.; Chen, Xi; Therien, Michael J.; Bonnell, Dawn A. (28 de mayo de 2013). "Explotación de electrones calientes inducidos por plasmones en dispositivos electrónicos moleculares". ACS Nano . 7 (5): 4479–4486. doi :10.1021/nn401071d. PMID  23550717.
14. Wang, Jing; Boriskina, Svetlana V.; Wang, Hongyun; Reinhard, Björn M. (23 de agosto de 2011). "Iluminación de las densidades de los receptores del factor de crecimiento epidérmico en filopodios mediante acoplamiento de plasmones". ACS Nano . 5 (8): 6619–6628. doi :10.1021/nn202055b. PMC 3204364 . PMID  21761914. 
15. Cassano, Domenico; Pocoví-Martínez, Salvador; Voliani, Valerio (17 de enero de 2018). "Enfoque ultrapequeño en nano: permitir la traducción de nanomateriales metálicos a las clínicas". Química de bioconjugados . 29 (1): 4-16. doi : 10.1021/acs.bioconjchem.7b00664 . PMID  29186662.
16. CS, Rejiya; Kumar, Jatish; V., Raji; M., Vibin; Abraham, Annie (febrero de 2012). "La inmunoterapia láser con nanobarras de oro provoca la muerte selectiva de células tumorales". Investigación farmacológica . 65 (2): 261–269. doi :10.1016/j.phrs.2011.10.005. PMID  22115972.
17. Cassano, Domenico; Santi, Melisa; D'Autilia, Francesca; Mapanao, Ana Katrina; Luin, Stefano; Voliani, Valerio (2019). "Efecto fototérmico mediante arquitecturas ultrapequeñas en nano excretables con respuesta NIR". Horizontes de Materiales . 6 (3): 531–537. doi : 10.1039/C9MH00096H .
18. Mapanao, Ana Katrina; Santi, Melisa; Voliani, Valerio (enero 2021). "Tratamiento quimio-fototérmico combinado de carcinomas de células escamosas tridimensionales de cabeza y cuello mediante nanoarquitecturas de oro". Revista de ciencia de interfaces y coloides . 582 (Parte B): 1003–1011. Código Bib : 2021JCIS..582.1003M. doi :10.1016/j.jcis.2020.08.059. PMID  32927167. S2CID  221723222.