华盛顿大学 两个纳米棒被加热到不同温度的证据
研究人员收集了加热的纳米棒和周围的甘油如何从一束绿光中散射光子的数据
这五幅图显示了五种不同波长的散射光的强度，插图显示了散射光的图像
箭头表示峰值强度在不同的波长下移动，这间接表明纳米棒被加热到不同的温度
信用:Bhattacharjee等人
，ACS Nano，2019 在人类尺度上，控制温度是一个简单的概念
乌龟晒太阳取暖
要冷却刚出炉的馅饼，把它放在室温台面上
在纳米尺度上——距离不到最细头发宽度的1/100——控制温度要困难得多
纳米尺度的距离如此之小，以至于物体很容易热耦合:如果一个物体加热到一定温度，它的邻居也会变热
当科学家使用光束作为热源时，还有一个额外的挑战:由于热扩散，光束路径中的材料加热到大约相同的温度，使得很难操纵光束中物体的热分布
科学家们从未能够单独使用光来主动塑造和控制纳米级的热景观
至少，直到现在
在7月30日由《美国化学学会纳米》杂志在线发表的一篇论文中，一组研究人员报告说，他们设计并测试了一个实验系统，该系统使用近红外激光将两个金纳米棒天线——在纳米尺度上设计和制造的金属棒——主动加热到不同的温度
纳米棒靠得如此之近，以至于它们既电磁耦合又热耦合
然而，由华盛顿大学、莱斯大学和坦普尔大学的研究人员领导的研究小组，测量了棒之间高达20摄氏度的温差
通过简单地改变激光的波长，他们也可以改变哪个纳米棒更冷，哪个更热，即使这些棒是由相同的材料制成的
“如果你把两个相似的物体放在一张桌子上，通常你会认为它们的温度相同
在纳米尺度上也是如此，”相应的第一作者大卫·马西洛说，他是UW的化学教授，也是分子与工程科学研究所和纳米工程系统研究所的教员
“在这里，我们可以将两个材料成分相同的耦合物体暴露在同一个光束中，其中一个物体会比另一个物体更热
" 马西洛的团队进行了理论建模来设计这个系统
他与合著者斯蒂芬·林克(Stephan Link)和凯瑟琳·威利茨(Katherine Willets)合作，前者是莱斯大学的化学、电气和计算机工程教授，后者是坦普尔大学的化学副教授，他们共同构建并测试了该软件
他们的系统由两个金纳米棒组成——一个150纳米长，另一个250纳米长，大约比最细的人发细100倍
研究人员将纳米棒首尾相连地放在甘油环绕的载玻片上
他们选择黄金有特定的原因
响应近红外激光等能源，黄金中的电子可以很容易地“振荡”
这些电子振荡，或表面等离子共振，有效地将光转化为热
尽管两个纳米棒都是由金制成的，但它们不同的尺寸依赖等离子体极化意味着它们具有不同的电子振荡模式
马西埃罗的团队计算出，如果纳米棒等离子体以相同或相反的相位振荡，它们可能达到不同的温度——抵消热扩散的影响
林克和威利茨的团队设计了实验系统，并通过在纳米棒上照射近红外激光进行测试
他们研究了两种波长的光束效应——一种用于振荡同相的纳米棒等离子体，另一种用于反相
该团队无法在纳米尺度上直接测量每个纳米棒的温度
相反，他们收集了加热的纳米棒和周围的甘油如何从单独的绿色光束中散射光子的数据
马西埃罗的团队分析了这些数据，发现纳米棒折射绿色光束中的光子有所不同，这是由于纳米棒之间的纳米温差
“这种间接测量表明，纳米棒被加热到不同的温度，即使它们被暴露在相同的近红外光束下，并且距离足够近，可以热耦合，”合著者克莱尔·韦斯特说，她是UW化学系的博士生
研究小组还发现，通过改变近红外光的波长，他们可以改变哪个纳米棒——短的或长的——受热更多
激光器本质上可以充当可调“开关”，改变波长来改变哪个纳米棒更热
纳米棒之间的温度差异也因它们之间的距离而异，但最高可达室温以上20摄氏度
该团队的发现有一系列基于纳米尺度的温度控制的应用
例如，科学家可以设计以纳米精度光热控制化学反应的材料，或者温度触发的微流体通道来过滤微小的生物分子
研究人员正致力于设计和测试更复杂的系统，如纳米棒的簇和阵列
这需要更复杂的建模和计算
但鉴于迄今为止的进展，马西洛乐观地认为，理论和实验研究小组之间的这种独特伙伴关系将继续取得进展
“这是一个团队的努力，结果是多年的努力，但它奏效了，”马西洛说
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