پژوهشگران مولکول‌های فلورسنت را به گونه‌ای در یک نانوذره جای داده‌اند که میزان توانایی حبس نور در سطح آن به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد.

نقاط کوچک نورانی: بهم پیوستن خودآرایی و پلاسمونیک

پژوهشگران ایالات متحده با استفاده از یک روش خودآرایی (self-assembly method) بر مبنای ویروس‌ها و DNA حدود 200 مولکول فلورسنت را در نانوذره‌ی کوچکی از جنس طلا به عرض چندین نانومتر قرار داده‌اند. جایگذاری دقیق مولکول‌ها، خروجی فلورسانس آن‌ها را افزایش می‌دهد و این روش می‌تواند کاربردهایی در پردازش اطلاعات و فناوری‌های نوین انرژی داشته باشد.

خودآرایی، فرایندی است که طی آن یک سیستم بی‌نظم از برهمکنش اجزای موجود یک ساختار سازمان یافته پدید می‌آورد؛ بدون آنکه جهت‌گیری خارجی وجود داشته باشد.

الکترون‌ها در یک نانوذره‌ی فلزی هنگامی که در معرض بسامدهای مشخصی از نور قرار می‌گیرند، دستخوش نوسانات جمعی شناخته شده‌ای موسوم به «رزنانس پلاسمون سطحی» می‌شوند. سپس این نانوذره مانند یک آنتن کوچک عمل کرده و نور را روی سطح در پهنای چندین نانومتر متمرکز می‌کند. اگر یک مولکول فلورسانت یا فلوروفور (fluorophore) در این ناحیه قرار بگیرد، مقدار نوری که توسط مولکول می‌تواند به دام افتد، به طور قابل توجهی افرایش می‌یابد.

به گفته‌ی یکی از پژوهشگران، این کار راهی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی قوی در نزدیکی مرکز جذب نور فراهم می‌کند و بنابراین اجازه می‌دهد تا گیراندازی نور به مقدار قابل توجهی افزایش یابد. افزایش تعداد فلوروفورهایی که نانوذره را احاطه کرده‌اند نیز کمک می‌کند تا مقدار گیراندازی نور بازهم بیشتر گردد. اما این فرایند نسبت به فاصله‌ی بین نانوذرات و فلوروفورها بسیار حساس است و استفاده از این مزیت‌ها را در آرایش‌های پیچیده‌ی ذرات نسبت به یکدیگر دشوار می‌شود.

این پژوهشگران دو رویکرد خودآرایی را با یکدیگر ترکیب کردند تا صدها فلوروفور را جمع‌آوری کنند و آن‌ها را در نزدیکی یک نانوذره از جنس طلا جای دهند. در ابتدا آن‌ها از یک نوع ویروس به عنوان محفظه‌ای برای فلوروفورها استفاده کردند. سپس سطح درونی آن را با گیراندازی 180 فلوروفور با چگالی یک فلوروفور بر 14 نانومترمربع اصلاح کردند و سطح خارجی آن را با رشته‌هایی از DNA پوشش دادند.

مرحله‌ی دوم شامل فرایندی موسوم به «اریگامی DNA » بود که به موجب آن مجموعه‌ای از صدها رشته DNA سنتزی خودآرایی با ابعاد حدود 100 نانومتر پدید می‌آوردند. برای درک بهتر نتایج آزمایشگاهی، پژوهشگران برهمکنش بین فلوروفورها با نانوذرات را مدلسازی کرده و نشان دادند که سیستم همانگونه که آن‌ها انتظار دارند، رفتار می‌کند. بر طبق این مدل برای نانوذرات طلا با ابعاد بزرگتر، فلوروفورها دستخوش افزایش قابل توجهی در میزان فلورسانس می‌شوند.

این مدل به آن‌ها اجازه داد تا تغییر در ابعاد نانوذره، انتخاب فلوروفور، نحوه‌ی آرایش آن و حتی شکل ویروس را به منظور بهینه سازی عملکرد کاوش کنند. این پژوهش در ACS Nano و nanotechweb.org منتشر شده است.

منبع: Self-assembly and plasmonics could join forces to boost solar energy