莱斯大学 插图显示了使用由特定分子诱导的偶极子来测量它们对金纳米粒子等离子体的阻尼效应的过程
学分:阿利斯·皮克林/莱斯大学 等离子体纳米粒子散射的光是有用的，但其中一些会在表面丢失，科学家们现在开始找出原因
在莱斯大学和美因茨约翰内斯·古腾堡大学的新实验中，以及在普林斯顿大学的理论工作中，研究人员发现，放置在单个金纳米棒表面的分子通过改变粒子本身的电子结构来影响其等离子体激元响应
这一发现可能会增强催化等涉及等离子体驱动化学的应用
等离子体激元是电子的波纹，当被光触发时，会在金属纳米粒子的表面产生共振
他们接收到的一种波长或颜色的光以相同的波长辐射，这可以让研究人员了解粒子及其环境
表面等离子体有助于感知化学物质的存在，实现光化学和选择性催化化学反应
但是在粒子表面和研究者眼睛之间损失的光可能包含以前没有考虑到的额外信息
人们曾认为，通过等离子体激元阻尼的信号损失是由于化学物质吸附到纳米粒子表面，可能是通过电荷从金属转移到化学物质
但是莱斯大学的化学、电子和计算机工程教授斯蒂芬·林克怀疑只有一种解释能够适用于所有的研究
他们带领林克、主要作者本杰明·福斯特和他们的同事发现了一种完全不同的机制，这在本周的《科学进展》中有报道
他们的策略是将两种大小相同、原子排列不同的分子放在单个金纳米棒上进行分析
这些分子，笼状碳硼烷硫醇，在金属中诱导表面偶极，进而散射足够的等离子体激元能量来抑制它们的信号
这使得研究人员可以直接观察和测量阻尼，而不受其他分子或纳米棒的干扰
硫醇除了一个碳原子的位置之外，与纳米棒的接近程度相同，这导致了金属表面独特的偶极矩——分子的正负两极会改变强度，并像指南针的指针一样移动
理论计算科学家、普林斯顿大学工程与应用科学学院院长艾米丽·卡特进行了详细的量子力学计算，以测试解释实验的机制
“等离子共振有一个光谱宽度，和共振波长一起，给出特定的颜色，”林克说
“窄线让你拥有更真实的色彩
所以我们观察了当我们把分子放在粒子上时，共振的宽度是如何变化的
" 不是任何分子都能做到的
碳硼烷硫醇，大小完全相同的分子，以相同的尺寸粘附在金纳米粒子上，但化学性质不同，足以改变等离子体的光谱宽度
这使得研究人员可以测量每种分子的等离子体阻尼，而不受其他阻尼机制的干扰
福斯特说，流过表面的等离子体严重依赖于粒子的大小和形状，以至于很少有人注意到吸附在表面的化学物质的影响
“如果你改变纳米棒的表面，能量会以不同的方式流失，”他说
“我们完全不明白这一点
但是如果某样东西失去了能量，它就不会像你希望的那样运转
" 周围介质的折射特性和来自不同大小和形状的多个粒子的信号的平均也可以影响信号
这也使得分析吸附化学物质的影响变得困难
“几个因素决定了等离子共振的宽度，”林克说
“但有一个每个人都提到的造假因素，没有人真正以量化的方式解决过
许多人指责电荷转移，这意味着受激热电子从金属转移到分子
“我们说这里不是这样，”他说
“每次你把一个分子放在一个金属粒子上时，情况可能不一样，但这第一次给了我们一个完整的定量研究，它也不会对界面上的化学反应视而不见
它让我们明白化学很重要
林克说:“这项工作很基础，我认为它很漂亮，因为它很简单。”
“我们将正确的样本、实验和单粒子光谱学与先进的理论结合在一起，并把它们放在一起
"
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