Привет всем любителям новостей науки и технологий!
Сегодня мы поговори о плазмонном хамелеоне, о реальном можно почерпнуть тут.
Любой металл – это прежде всего массив свободно движущихся электронов, своеобразный резервуар с электронным газом. А металл, находящийся в наноразмерном состоянии, обладает одним удивительным свойством – плазмонным резонансом. Группа китайских учёных совместно с американскими коллегами использовала эту особенность наночастиц при создании плазмонного камуфляжа.
О том, что же это такое и с чем это едят, Вы узнаете под катом.
Предисловие
Чтобы понять, как это работает, нам необходимо ненадолго углубиться в физику процесса. Итак, что же такое плазмонный резонанс и с чем его употребляют?
Все мы знаем, как свет взаимодействует с гладкой поверхностью металла – он отражается, именно поэтому металлы используются при производстве зеркал: одни металлы отражают свет хуже, другие лучше. Но что происходит, когда свет или электромагнитная волна взаимодействует с наночастицей металла, буквально наполненной электронами? В силу малых размеров наночастиц металла и высокой подвижности электронов в них, электрическое поле электромагнитной волны смещает электронное облако внутри наночастицы на небольшую величину, оголяя с обратной стороны положительно заряженный остов из атомов металла.
Взаимодействие электромагнитной волны, являющейся источником внешнего электрического поля, с наночастицей металла, следствием которого становится сила притяжения между смещёнными подвижными электронами и положительно заряженным тяжёлым остовом атомов металла
В результате между двумя противоположно заряженными половинками наночастицы возникает сила кулоновского притяжения, возвращающая электроны на прежнее место. Это и есть плазмон (затухающее колебание электронного газа), поэтому и сами частицы называются плазмонными. Как и в случае с любыми иными колебательными процессами, данный феномен обладает одним интересными свойством – резонансом, что выражается в резком усилении поглощения электромагнитных волн с определённой частотой или длиной волны. Именно поэтому в спектрах поглощения растворов металлических наночастиц присутствует необычная колоколообразная составляющая, представленная на рисунке ниже.
Спектры поглощения золотых наночастиц различного диаметра. Для наглядности представлена видимая часть спектра
В зависимости от диаметра наночастиц длина волны света, при которой происходит такое резонансное поглощение, может варьироваться, как и в случае с квантовыми точками.
Дополнительно про данный эффект можно почитать на страницах журнала «Потенциал» (единственную ссылку на приобретение журнала нашёл тут). Или послушать на YouTube лекцию, прочитанную для участников в рамках 9-ой НаноОлимпиады:
Плазмонный хамелеон
Конечно же, каждый металл имеет свою резонансную (плазмонную) частоту. Для золота длина волны, при которой происходит резонанс, составляет примерно 520-550 нм, для серебра около 410-430 нм. Соответственно, если совместить два металла, то получится некая нелинейная комбинация одного и другого. Именно этот эффект и использовали учёные из Китая и США в своей работе, посвящённой плазмонному хамелеону и опубликованной в престижном научном журнале ACSNano.
На первый взгляд, идея кажется крайне простой. Необходимо взять упорядоченный пористый материал (например, анодированный оксид алюминия, AAO), расположить его на электроде, вырастить внутри каждой поры небольшую наночастицу золота, а сверху добавить ещё один электрод, покрытый проводящим гелем и содержащий ионы серебра.
(a-c) Схема устройства, демонстрирующая принцип работы, и микрофотографии упорядоченного массива нанопор, полученные с помощью электронного микроскопа (масштабные метки – 100 нм); (e-f) испытания первых образцов, которые могут менять цвет от красного до зелёного
Прикладывая напряжение (~1.5 В) можно довольно быстро (ведь речь идёт о наночастицах) осаждать небольшие количества серебра на островки золота внутри пор и таким образом изменять оптические свойства системы. Например, легко управлять отражением света в пределах 420 – 650 нм, что практически перекрывает весь видимый спектр. А приложение обратного напряжения позволяет переводить серебро в ионы, распределённые в геле.
Полноценная демонстрация возможностей устройства изменять цвет при приложении электрического поля: (a) спектры отражения, (b) зависимость положения максимума отражения от времени осаждения серебра (всего несколько секунд!), (с) Хроматическая диаграмма с цветами, полученными в работе
Обычно научные изыскания на этом и заканчиваются: мол, мы вот показали, что это работает, остальное не наша задача. Однако коллектив авторов решил не останавливаться на достигнутом и создал робота-хамелеона, состоящего из небольших пластин, которые изменяют цвет. Робот напичкан датчиками и способен анализировать окружающую цветовую гамму, подстраиваясь по неё.
(a-c) Созданный робот-хамелеон, который способен менять цвет, приспосабливаясь к окружающей обстановке. (d-c) Схожую технологию можно использовать и для создания «статических» дисплеев, например, для рекламных банеров
Плюс ко всему, учёные показали, что данная технология может быть успешно применена для создания «статичных» дисплеев. Они могут прийти на замену современным светодиодным панелям в сфере рекламы.
Видео, демонстрирующее движение хамелеона вдоль цветной стены, а также изменение цвета в реальном времени можно посмотреть на сайте журнала ACSNano.
Если кому-то интересно адаптировать аналогичную технологию для собственных нужд и/или заняться DIY, то интересная информация содержится в Supplementary Information к статье.
Оригинальная статья «Mechanical Chameleon through Dynamic Real-Time Plasmonic Tuning» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b07472).
Вместо заключения
И пользуясь случаем, хотелось бы отметить другую интересную особенность золотых наночастиц, особенно для тех, кто пропустил часовое видео выше. Их можно удивительно быстро и легко собирать на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей, как продемонстрировано в ролике ниже.
Из 30-40 нм частиц можно получить настоящее зеркало!
При этом наночастицы формируют плёнку, которая обладает определёнными механическими свойствами. Она не трескается, не деградирует, не теряет металлического блеска и цвета, а вместо этого тянется и деформируется, так как наночастицы внутри плёнки связаны специальными молекулами.
Больше видео также доступно на сайте журнала ACSNano.
Комментарии (65)
schroeder
25.02.2016 18:00-5Цветные заголовки. На дворе 2016 год, если вы не в курсе.
Rikkitik
25.02.2016 20:58+6Красный, зелёный и синий — цвета, мимо которых по очереди едет "робот". Заголовки — фича, а не баг.
schroeder
25.02.2016 23:55-7есть давно устоявшиеся правила оформления статей. На хабре по крайней мере. И одно из них- никаких цветных заголовков. Правила эти не писанные кстати. Если не верите, то просмотрите статьи, много вы там такого безобразия увидите? Давайте еще буквами помигайте, что бы фича позаметней была.
TimsTims
25.02.2016 18:55Что-то у робота эти кубики слишком большие получаются. По тексту, мне казалось, что каждый «пиксель» такого кубика можно перекрашивать в разный цвет, а на фотках что-то этого не видно.
Ну и, естественно, платформа «бросаетс в глаза».
Это как изобретение «рейлгана», которое очень мощное, не требует пороха, не издает звуков, пробивает самые толстые стены, но для его работы нужна целая электростанция.
Ну и напомнило Ералаш — где мальчик с крутыми «смарт» часами ходил, и нес два больших чемодана с баттарейками…ptica_filin
26.02.2016 10:59+2В полевой обстановке запросто под кусты замаскируется. Если не будешь знать, что он именно там, то и не заметишь.
Это как с камуфляжной формой. Вроде тоже какие-то дурацкие крупные пятна и пиксели, а в лесу эффект совершенно потрясающий.temabadhi
26.02.2016 11:56А разве поверхность самого пикселя не будет отражать свет тем самым еще больше выделять некий объект? Ведь как я понял на данный момент поверхность гладкая и свето-отражательная.
ptica_filin
26.02.2016 12:44+1Это же только прототип. Под конкретные требования можно будет допилить. Подобрать размер и форму пикселей, поверхность сделать матовой или вообще кривой.
temabadhi
26.02.2016 17:30Думаю намного проще покрыть прозрачным белком или чем-то типа хряща(а-ля холодец), мутно-прозрачным силиконом.
valis
25.02.2016 19:01Преимущества перед конкурентными технологиями, к примеру, E-Ink будут видны если кто-то задумается о ее коммерческом применении.
Возможно, это и будет та долгожданная технология более экономичных по сравнению с ЖК, но менее затратных по сравнению с цветными E-Ink экранов.
degs
25.02.2016 23:08+1Расскажите как изготовляются наночастицы одного размера и каков разброс по диаметру. Я так понимаю что это отдельная задача сама по себе, интересно.
Tiberius
25.02.2016 23:13+2Самый простой метод — нагреваете HAuCl4 до кипения и быстро инжектируется разбавленный раствор цитрата натрия (восстановитель). Минуты за 2 раствор чернеет, а потом краснеет. Нанки готовы. Размер определяется концентрацией реагентов.
Разброс по размерам для маленьких нанок ~5-10%, для больших может и 20-30 достигать.
Другой способ, полиольный. Восстановитель заменяется на поли-спирт, глицерин и тому подобные вещи. распределение частиц по размеру уже, максимум 5%.degs
25.02.2016 23:42Забавно, я почему-то думал что обычные химические методы дают частицы всех возможных размеров без возможности контроля и управления. Спасибо.
Tiberius
25.02.2016 23:46+2Для наночастиц это не совсем верно, потому что есть критический размер зародыша, из которого потом получается сама нанка. Этот размер зависит от концентрации и температуры, поэтому и получается так "варить" нанки. Потом распределение уширяется, конечно же.
Другой пример для микрочастиц — синтез Штобера (Stober) для микросфер SiO2:
sielover
26.02.2016 03:36+2Как пример из моей работы — монослой золотых наночастиц на кремниевой подложке.
Чисто химический синтез, практически как описано выше.
degs
26.02.2016 04:38А есть какие-то закономерности образования наночастиц? Какие металлы образуют, в каких хим. реакциях, какого размера?
Вообще похоже диаметр наночастицы всего несколько атомов, там должны быть крайне интересные физические свойства, тем более что это практически двумерная структура. А они как-то упорядочены на поверхности?
Забавно, я довольно долго плотно работал с химиками, но похоже так ничему и не научился.
Foolleren
26.02.2016 10:29+1Используют в основном золото потому, что оно в нормальных условиях не реагирует ни с водой ни с кислородом. Подавляющее большинство металлов даже при кратковременном воздействии кислорода покрываются оксидными плёнками, толщина которых оказывается больше наночастиц.
Tiberius
26.02.2016 11:08Не обязательно. Серебро окисляется, да, но из него собирают отличные зеркала, даже хотел использовать в Large Moon Liquid Mirror Telescope.
arteys
26.02.2016 11:08+1При наличии фантазии можно даже в условиях самой примитивной лаборатории делать наночастицы оксида железа (магнитные или, если есть реагенты для стабилизации, суперпарамагнитные Fe3O4). Нужно смешать две соли железа (II и III) и добавить аммиака.
Довольно просто делаются всякие полупроводниковые наночастицы (квантовые точки), наночастицы оксида графена и иже с ними, оксид кремния, как уже писали выше.
Обычно главная проблема не синтезировать наночастицы — а выделить нужную фракцию, отмыть её от всяких полупродуктов и пустить в дело.Foolleren
26.02.2016 11:39Именно проблема создания в промышленных масштабах и делает "нано" обитателем заголовков статей, а не домов.
С ходу можно получить кучу разных "нано" замешав гидразин с солями металлов, а потом ещё и покрыть этим что нибудь применив коллоидное осаждение под действием электрического поля. вот только эффекту маловато,
(кстати говоря магнитную жидкость применяют в пищалках, заливая ей зазор между катушкой и магнитом — уменьшает искажения вч)arteys
26.02.2016 12:54+1Ну, справедливости ради, немало наночастиц одобрено FDA для применения в медицине. Наночастицы оксида железа, стабилизированные чем-то биосовместимым, например, как МРТ Т2- контрастёр. Куча всяких мицеллярных/липосомальных форм для лекарственных препаратов. Просто на лекарствах обычно не пишут слово "нано".
Foolleren
26.02.2016 13:15Цена на медпрепараты зачастую не гуманна и объёмы производства не являются промышленными.
Полупроводники стали домашними "нано" технологиями за долго до того как это слово было пропиарено. Но кроме лекарств и полупроводников ожидать появления "нано" в других местах ожидать сложно, надо не только найти замечательную особенность, но и технологию её массового производства.arteys
26.02.2016 13:21Ну лекарства стоят килоденег обычно не просто так. И как если не в промышленных объемах они, по вашему, делаются?
Собственно "нано" как размер объекта — оно везде. Собственно те же антитела. И вообще вся биология. Тут вопрос насколько широко трактовать термин "нанотехнология".Foolleren
26.02.2016 13:37Те что стоят килотонны делаются лабораторными объёмами — высококвалифицированные кадры, сложные уникальные технологии.
Выделить нужную фрацию наночастиц, это зачастую хроматографическое разделение которое очень сложно сделать в больших объёмах.
mkovalevich
26.02.2016 15:12"Нано" тут потому что "логика управления" на уровне нано. Тут еще простой случай, но через стоячие волны можно добиться очень сложного поведения на уровне нано. Это действительно где-то все ближе к биологии. А биология это "alien nanotechnology", скажем так.
arteys
26.02.2016 15:46Ну, терминологически, логика работы всяких антител и всего прочего это вообще супрамолекулярная химия. То, что сегодня называется нанотехнологиями пока такой точности в управлении отдельными атомами не достигла. Не считая атомно-силовой микроскопии, но там никакое массовое производство невозможно.
Tiberius
26.02.2016 15:59Позволю не согласиться.
Вот чуть ли не гидразин с солями металлов и мешают. NaBH4 — это один из самых известных и "мощных" восстановителей для создания коллидных растворов.
Отмывается это всё потом на диализной мембране, если хотите что-то вредное убрать из раствора.
И таки да, попробуйте погуглить покупку чего-нить "нано", начиная от наночастиц золота до графена. Малый бизнес уже вовсю этим занимается на вполне себе промышленных установках. Некоторые даже выходят на мед. стандарты.Foolleren
26.02.2016 18:57Так если проблема с получением нужной фракции, то одной мембраной тут не отделаться. Промышленные установки это ближе к залил нажал кнопку через пару часов у тебя хотя бы пол тонны. Кислород тоже можно получать нагревая перманганат калия в кубе из нержавейки, но технология не промышленная.
arteys
26.02.2016 19:05+1Для промышленного выделения нужных фракций, а также и для очистки, вполне себе используются центрифуги. А с если речь идёт о магнитных наночастицах, там можно использовать ещё и магнитную сепарацию.
Tiberius
26.02.2016 19:11Не понимаю, чем предложенная выше технология не промышленная?
Хорошо, реактор не на полтонны, но берём HAuCl4, кипятим при сильном перемешивании, вливаем цитрат насосом в реактор — собственно так и делают + know-how какой-то.Foolleren
26.02.2016 20:18+1Похоже у нас разное понимание промышленного и лабораторного метода получения, а чёткого термина на этот счёт нет.
Tiberius
26.02.2016 11:06Есть целые книги, адрессованые синтезу только металлтических наночастиц. Рассказывать тут — неформат.
Если кратко, то на данный момент сложно найти металл или просто окисд, из которого не научились бы делать нанки. Что касается золота, то там счёт идёт на десятки тысяч атомов, потому что обычно наночастица около 10 нм в диамтере. Конечно, получают нанки (для катализа, например) по 1-2-3 нм. Вот там уже проявляются интересные свойства: одни нанки работают в качестве катализатора, другие нет, при этом разница в размере — 0.5-1 нм.
Да, у двумерной сетки нанок есть интересные свойства: например, электрон может перескакивать с одной нанки на другую. Мы, к примеру, это ипользуем в электрокатализе (статьи в Electrochimica Acta и Electroanalytical Chemistry).
RusakovMxL
26.02.2016 10:35+1Я думаю, технологией военные уже заинтересовались. Представьте, такую рубашку на танк навесить. А если совместить с активной защитой — цены ему не будет. Хорошо замаскированный танк. Даже в кусты прятать не нужно.
Foolleren
26.02.2016 10:56+1Сдаётся мне что металлические наночастицы сделают танк видимым в ИК и радио диапазоне, что создаёт куда больше проблем.
RusakovMxL
26.02.2016 11:04+1А в ИК и радиодиапазоне и так вся техника излучает (генератор, двигатель). Можно не париться.
Foolleren
26.02.2016 11:28Да хоть заизлучается, главное краска которая не переизлучает.
гуглится элементарно ИК камуфляж, тепловой камуфляж, про стелс наверное уже все знают.
Наведение ракет по видимой части спектра это нонсенс, в отличии от ик тело и радио диапазонов.ClearAirTurbulence
26.02.2016 12:54>Наведение ракет по видимой части спектра это нонсенс
AGM-65A с вами несогласна.
Но, понятное дело, остальные варианты AGM-65 используются существенно чаще.
BubaVV
28.02.2016 00:21По факту, новая технология для экранов. Где-то очень рядом электрохромные стекла. Была еще мысль, можно ли объект подобной структуры использовать как фоточувствительную матрицу
mkovalevich
Это будущее, да. Кстати может золото оттого ценится, что в древности использовали его плазмонно-резонансные свойства? Ведь как кусок металла он довольно бесполезен, все другие теории о его ценности (редкость и т.п.) сомнительны. Его наночастицы отлично показывают себя в медицине (для целевой доставки веществ в организме).
Зависит от размеров наночастицы, например розовое золото… и т.д.
Ну и в метаматериалах золото вовсю...
Tiberius
Есть кубок Ликурга и много разных артефактов, в которых использовались нанки, только скорее всего никто тогда о них и не подозревал...
mkovalevich
Странно, что кубок один. Одноразовая случайность? Но отделка намекает, что понимали ценность.
Разве что сначала получили стекло (случайно), а потом отделали?
Tiberius
Думаю, что случайность в плане изготовления одного единственного кубка, и таких "артефатков" было много, просто не всё ещё нашли.
Возможно, было место рождение песка, из которого делали такую посоду, и по счастливой случайности там затесались нанки, ну или добавляли дроблёное золото/серебро, которое опять-таки частично молго бы содержать нанки.
tormozedison
А возможно ли вообще наблюдать явления, связанные с плазмонами, на других, не драгоценных металлах?
Tiberius
Да, у серебра, как указано выше около синей границы спектра. Есть Плазмонные резонансы у меди (но уже в УФ), по-моему, у платины и палладия тож имеются.
AllegroMod
По ссылке написано же, что ножка и отделка 19-го века :-)
Tiberius
Но само стекло — то самое, древнее!;)
Rikkitik
Не путайте отделку вообще и металлическую ножку+тонкий ободок по краю. Фигуры и узоры — это резная стеклянная сетка, отстоящая от плоскости самого сосуда, но связанная с ним кое-где перемычками. Оптические свойства фигурной сетки — те же, что и стенок. Любопытно другое: почему из всего класса этих сосудов только у одного такой состав материала. Случайность или "коммерческая тайна"?
dhtml
на самом деле интересный вопрос. печь для варки стекла должна иметь большой объём. маленькую массу невозможно произвести. так что были и другие кубки. Просто всё пропало. Посмотрите даже на нашу историю; где Буран, АЗЛК, Полёт и другие достижения советской культуры? Всё уничтожено варварами.
tUUtiKKi13
Розовое золото это сплав с добавлением меди.
Tiberius
Золото бывает ещё и зелёным в зависимости от толщины слоя.
А про розовый цвет, по-видимому, относилось к раствору наночастиц.
Rikkitik
Цвета сплавов золота в зависимости от содержания меди и серебра (из англ. Википедии).
mkovalevich
Какие сплавы… выше ссылка на кубок Ликурга — обычное стекло. Частицы золота и серебра, 50-100 нанометров, причем в количествах… это наверное дело рук римских гомеопатов. Соотношение молей всех элементов состава стекла и золота миллион к 40. Серебра чуть больше.
Английская чаша, но до "римской" ей далеко
Spaceoddity
Золото при добавлении в хрусталь даёт красный оттенок — примерно такой как на картинке.
Foolleren
Ходят слухи что можно получить голубой оттенок золота добавив индий