Plasmón de superficie localizado

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La luz incidente en una nanopartícula de metal, hace que los electrones de la banda de conducción oscilen.Este es el plasmón de superficie localizado.

Un plasmón de superficie localizado (Localized Surface Plasmon, LSP) es el resultado del confinamiento de una plasmón de superficie en una nanopartícula con dimensiones comparables a la de la longitud de onda de la radiación electromagnética empleada para excitar el plasmón. Cuando una pequeña nanopartícula metálica esférica es irradiada por la luz, el campo eléctrico oscilante causa los electrones de conducción oscilen de manera coherente. Cuando la nube de electrones se desplazada en relación con su posición original, surge una fuerza restauradora de atracción, dada por la fuerza de Lorentz, entre electrones y núcleos,[1]​ resultando en una oscilación de la nube electrónica. La frecuencia de resonancia del LSP está determinada por la densidad de electrones, la masa de efectiva de electrones, y el tamaño y la forma de la distribución de carga,[2]​ es decir, las características intrínsecas del material, así como de la geometría de la partícula en donde se excita el LSP.[1]​ Dentro de los efectos del LSP se puede identificar el realce o aumento del campo electromagnético cercano en ciertas regiones alrededor de la partícula donde el LSP es excitado, así como el espectro de extinción de luz por la partícula que tiene un máximo a la frecuencia resonancia del LSP. Este último fenómeno, en particular, explica los colores brillantes presentes en soluciones coloidales de nanopartículas metálicas.[3]​

Para metales como la plata y el oro, la frecuencia de resonancia es también afectada por los electrones en lo orbitales d. La plata es una elección popular en los plasmones, que estudia el efecto de acoplar la luz a las cargas, ya que puede soportar un plasmón de superficie en un amplio rango de longitudes de onda (300-1200 nm), y su longitud de onda de absorción máxima se cambia fácilmente.[1]​ Por ejemplo, la longitud de onda de absorción máxima de las nanopartículas de plata triangulares se modificó cambiando la nitidez de la esquina de los triángulos. Las cuales sufrieron un cambio de color azul a medida que se disminuía la nitidez de la esquina de los triángulos.[4]​ Además, longitud de onda de absorción de la absorción máxima experimentó un cambio de color rojo a medida que se agregaba una mayor cantidad de agente reductor (HAuCl4) y aumentaba la porosidad de las partículas.[3]​ Para las nanopartículas semiconductores, la absorción óptica máxima a menudo se encuentra en la región del infrarrojo cercano y del infrarrojo medio.[5]​[6]​

Propagación de plasmones de superficie[editar]

Los plasmones de superficie localizados son distintos de los plasmones de propagación. En los plasmones de superficie localizados, la nube de electrón oscila colectivamente. En la propagación de plasmones de superficie, el plasmón de superficie se propaga de un lado a otro entre los extremos de la estructura. Los plasmones de superficie de propagación también deben de tener al menos una dimensión que es cercano a o más larga que la longitud de onda de la luz incidente. Las ondas creadas en los plasmones de superficie en propagación también se pueden ajustar controlando la geometría de la nanoestructura metálica.[1]​

Caracterización y estudio de los plasmones de superficie localizados[editar]

Uno de los objetivos de la plasmónica es comprender y manipular plasmones de superficie a nanoescala, por lo que es importante la caracterización de los plasmones de superficie. Algunas técnicas que se utilizan con frecuencia para la caracterizar los plasmones de superficie son la microscopía de campo oscuro, la espectroscopia UV-vis-NIR, y la dispersión Raman de superficie mejorada (SERS).[1]​ Con la microscopía de campo oscuro, es posible de controlar el espectro de una nanoestructura metálica individual a medida que cambia la polarización con la luz incidente, longitud de onda, o las variaciones en el entorno dieléctrico.[7]​

Aplicaciones[editar]

Imagen de Nanopartículas de oro por el microscopio electrónico de barrido, exhiben fuertes resonancias LSP.

La frecuencia de resonancia del plasmón es altamente sensible al índice de refracción da como resultado un cambio en la frecuencia resonante. Como la frecuencia de resonancia es fácil de medir, esto permite que las nanopartículas de LSP se utilicen para aplicaciones de detección nanoescala.[8]​ Además, las nanopartículas que exhiben fuertes propiedades LSP, como los nanorods de oro, podrían mejorar la señal en la detección de resonancia de plasmón.[9]​[10]​ Las nanoestructuras exhiben resonancias LSP se utilizan para mejorar las señales en técnicas analíticas modernas basadas en espectroscopia. Otras aplicaciones que se basan en la generación eficiente de la luz a calor en la nanoescala son la grabación magnética asistida por calor (HAMR) , terapia fototérmica contra el cáncer, y termofotovoltaica.[11]​ Hasta ahora, las aplicaciones de alta eficiencia que utilizan plasmones no se han realizado debido a las altas pérdidas óhmicas dentro de los metales, especialmente en el rango espectral óptico (visible y NIR). Además se han utilizado los plasmones de superficie para crear súper lentes, capas de invisibilidad y para mejorar la computación cuántica.[12]​[13]​[14]​[15]​[16]​ Otra área interesante de investigación en plasmones es la capacidad de activar y desactivar plasmones mediante la modificación de otra molécula. La capacidad de activar y desactivar plasmones tiene consecuencias importantes para aumentar la sensibilidad en los métodos de detección.[1]​ Recientemente, un cromóforo supramolecular se acopló con una nanoestructura metálica. Esta interacción cambió las propiedades de resonancia de plasmón de superficie localizada de la nanoestructura de plata al aumentar la intensidad de absorción.[17]​  

Véase también[editar]

  • Superficie plasmón resonancia
  • Superficie-realzado Raman espectroscopia
  • Nanopartícula
  • Consejo-realzado Raman espectroscopia

Referencias[editar]

  1. ↑ a b c d e f Maier, Stefan A. (2007). Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer US. pp. 5-19. ISBN 978-0-387-33150-8. Consultado el 23 de enero de 2021.  Error en la cita: Etiqueta <ref> no válida; el nombre «:1» está definido varias veces con contenidos diferentes
  2. ↑ Kelly, K. Lance (21 de diciembre de 2002). The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment 107. pp. 668-677. doi:10.1021/jp026731y. 
  3. ↑ a b Skrabalak, Sara E.; Au, Leslie; Li, Xingde; Xia, Younan (September 2007). «Facile synthesis of Ag nanocubes and Au nanocages». Nature Protocols (en inglés) 2 (9): 2182-2190. ISSN 1750-2799. PMID 17853874. doi:10.1038/nprot.2007.326. 
  4. ↑ Zeng, Jie; Roberts, Stefan; Xia, Younan (2010). «Nanocrystal-Based Time–Temperature Indicators». Chemistry – A European Journal 16 (42): 12559-12563. ISSN 1521-3765. PMID 20945450. doi:10.1002/chem.201002665. 
  5. ↑ Liu, Xin; Swihart, Mark T. (2014). «Heavily-doped colloidal semiconductor and metal oxide nanocrystals: an emerging new class of plasmonic nanomaterials». Chem. Soc. Rev. 43 (11): 3908-3920. PMID 24566528. doi:10.1039/c3cs60417a. 
  6. ↑ Zhou, Shu; Pi, Xiaodong; Ni, Zhenyi; Ding, Yi; Jiang, Yingying; Jin, Chuanhong; Delerue, Christophe; Yang, Deren et al. (2015). «Comparative study on the localized surface plasmon resonance of boron- and phosphorus-doped silicon nanocrystals». ACS Nano 9 (1): 378-386. PMID 25551330. doi:10.1021/nn505416r. 
  7. ↑ Haes, Amanda J.; Van Duyne, Richard P. (1 de agosto de 2004). «A unified view of propagating and localized surface plasmon resonance biosensors». Analytical and Bioanalytical Chemistry (en inglés) 379 (7): 920-930. ISSN 1618-2650. PMID 15338088. doi:10.1007/s00216-004-2708-9. 
  8. ↑ Mayer, Kathryn M.; Hafner, Jason H. (2011). «Localized Surface Plasmon Resonance Sensors». Chemical Reviews. Plasmonics (111): 3828-3857. PMID 21648956. doi:10.1021/cr100313v. 
  9. ↑ Loo, Jacky Fong-Chuen; Yang, Chengbin; Tsang, Hing Lun; Lau, Pui Man; Yong, Ken-Tye; Ho, Ho Pui; Kong, Siu Kai (2017). «An Aptamer Bio-barCode (ABC) assay using SPR, RNase H, and probes with RNA and gold-nanorods for anti-cancer drug screening». The Analyst (en inglés) 142 (19): 3579-3587. Bibcode:2017Ana...142.3579L. ISSN 0003-2654. PMID 28852760. doi:10.1039/C7AN01026E. 
  10. ↑ Law, Wing-Cheung; Yong, Ken-Tye; Baev, Alexander; Hu, Rui; Prasad, Paras N. (12 de octubre de 2009). «Nanoparticle enhanced surface plasmon resonance biosensing: Application of gold nanorods». Optics Express (en inglés) 17 (21): 19041-19046. Bibcode:2009OExpr..1719041L. ISSN 1094-4087. PMID 20372639. doi:10.1364/OE.17.019041. 
  11. ↑ ElKabbash, Mohamed (2017). «Tunable Black Gold: Controlling the Near-Field Coupling of Immobilized Au Nanoparticles Embedded in Mesoporous Silica Capsules». Advanced Optical Materials 5 (21): 1700617. doi:10.1002/adom.201700617. 
  12. ↑ Khurgin, Jacob (2015). «How to deal with the loss in plasmonics and metamaterials». Nature Nanotechnology 10 (1): 2-6. Bibcode:2015NatNa..10....2K. PMID 25559961. arXiv:1411.6577. doi:10.1038/nnano.2014.310. 
  13. ↑ ElKabbash, Mohamed (2017). «Ultrafast transient optical loss dynamics in exciton–plasmon nano-assemblies». Nanoscale 9 (19): 6558-6566. PMID 28470299. doi:10.1039/c7nr01512g. 
  14. ↑ Fang, Nicholas; Lee, Hyesog; Sun, Cheng; Zhang, Xiang (22 de abril de 2005). «Sub&#150;Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens». Science (en inglés) 308 (5721): 534-537. ISSN 0036-8075. PMID 15845849. doi:10.1126/science.1108759. 
  15. ↑ Shalaev, Vladimir M. (January 2007). «Optical negative-index metamaterials». Nature Photonics (en inglés) 1 (1): 41-48. Bibcode:2007NaPho...1...41S. ISSN 1749-4893. doi:10.1038/nphoton.2006.49. 
  16. ↑ Chang, D. E.; Sørensen, A. S.; Hemmer, P. R.; Lukin, M. D. (3 de agosto de 2006). «Quantum Optics with Surface Plasmons». Physical Review Letters 97 (5): 053002. Bibcode:2006PhRvL..97e3002C. PMID 17026098. arXiv:quant-ph/0506117. doi:10.1103/PhysRevLett.97.053002. 
  17. ↑ Zhou, Haibo; Yang, Danting; Ivleva, Natalia P.; Mircescu, Nicoleta E.; Schubert, Sören; Niessner, Reinhard; Wieser, Andreas; Haisch, Christoph (7 de julio de 2015). «Label-Free in Situ Discrimination of Live and Dead Bacteria by Surface-Enhanced Raman Scattering». Analytical Chemistry 87 (13): 6553-6561. ISSN 0003-2700. PMID 26017069. doi:10.1021/acs.analchem.5b01271. 
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