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(noticias nanowerk) Los artesanos se han maravillado durante mucho tiempo con los colores rojos brillantes creados por las nanopartículas de oro esparcidas por las obras maestras de vidrieras. Pero los orígenes cuánticos de esta maravilla óptica permanecieron oscuros hasta que los avances modernos en nanotecnología y microscopía sacaron a la luz las complejidades de la resonancia de plasmones. Ahora los investigadores están preparados para hacer avanzar las tecnologías nanoplasmónicas utilizadas anteriormente en el arte hacia nuevas aplicaciones de fotónica, detección y amplificación.
La investigación sobre estas propiedades plasmónicas únicas se ha ralentizado debido a los desafíos actuales en la producción de nanopartículas metálicas con un control preciso sobre el tamaño, la concentración y la dispersión dentro del vidrio mismo. Las primeras técnicas de fabricación resultaron poco confiables cuando se aplicaron al vidrio de telurito, que de otro modo tiene propiedades ideales para la nanofotónica integrada. dispositivos que tienen.
Sin embargo, el progreso se estancó debido a los desafíos que plantea la producción de nanopartículas metálicas con un control preciso en medios anfitriones prometedores como el vidrio de telurito. La incorporación confiable de nanoestructuras metálicas adaptadas para desbloquear el potencial plasmónico ha demostrado ser un desafío continuo para los investigadores de telurito, a pesar de exhibir cualidades excepcionales para la óptica integrada.
El vidrio de telurito se ha convertido en un medio huésped muy prometedor para dispositivos fotónicos integrados. Presenta propiedades únicas que incluyen una amplia transparencia infrarroja que cubre la mitad del espectro solar, una alta solubilidad que permite una intensa luminiscencia de tierras raras y temperaturas de procesamiento relativamente bajas. Las energías moderadas de los fonones características del vidrio de telurito interrumpen mínimamente las transiciones radiativas y permiten una emisión y amplificación de luz eficiente. Además, el vidrio de telurito tiene una notable estabilidad de cristalización.
Estas propiedades combinadas hacen del vidrio de telurito una plataforma ideal para desarrollar componentes fotónicos activos y pasivos, desde amplificadores y convertidores de color hasta guías de ondas planas y láseres. En particular, sus ventajas ópticas ofrecen la capacidad de guiar la luz y explotar las transiciones de luz de elementos de tierras raras dentro de un sistema material común.
Sin embargo, la realización de muchas aplicaciones convincentes del telurito depende en gran medida de la introducción y el control de características metálicas a nanoescala para manipular la propagación de la luz mediante plasmónicos. A pesar del gran interés, la incorporación fiable de nanoestructuras metálicas personalizadas, como nanopartículas de oro, para activar efectos plasmónicos en vidrio de telurito siguió siendo un obstáculo técnico persistente que ralentizó el progreso.
Al desarrollar técnicas para producir sistemáticamente nanopartículas de oro que proporcionan una respuesta plasmónica sintonizable dentro del vidrio de telurito, la última investigación de una colaboración entre Australia y Alemania está allanando el camino para explotar y explorar los efectos ópticos mejorados por plasmones en este extraordinario medio huésped. Liberar el control sobre estos dispositivos plasmónicos a nanoescala abre oportunidades para un mayor desarrollo de dispositivos fotónicos que contienen materiales de telurito.
Estos científicos de materiales desarrollaron técnicas novedosas para producir sistemáticamente nanopartículas de oro con bandas de resonancia plasmónica sintonizables en matrices de vidrio de telurito. Su investigación proporciona una hoja de ruta para el desarrollo específico de características de nanopartículas para avanzar en la investigación de fotónica y sensores.
En un estudio publicado en Luz: ciencia y aplicaciones (“Formación controlada de nanopartículas de oro con propiedades plasmónicas sintonizables en vidrio de telurito”), los investigadores combinaron la corrosión controlada de un crisol de oro durante la fusión del vidrio con un recalentamiento especial del polvo de vidrio seco. El confiable proceso de dos pasos permitió un control preciso sobre el tamaño, la concentración y la distribución de las nanopartículas de oro formadas en el vidrio de telurito.
El equipo demostró en primer lugar los métodos existentes que funcionaban con vidrios de silicato, pero presentaban dificultades cuando se aplicaban al telurito. Dopar la mezcla de vidrio en bruto con sal de oro antes de fundirla dio como resultado una formación de nanopartículas impredecible. Los investigadores demostraron niveles de dopaje significativamente más altos y uniformes al corroer intencionalmente un crisol de oro que contenía vidrio fundido. Las reacciones de oxidación a lo largo de la interfaz fundido-crisol introdujeron continuamente iones de oro en la mezcla.
Pero la simple disolución de iones de oro en el vidrio de telurito no dio como resultado automáticamente nanopartículas con firmas plasmónicas consistentes. Los investigadores descubrieron que moler el vidrio solidificado hasta obtener un polvo fino y luego recalentarlo suavemente desencadenó de manera confiable las reacciones de reducción de iones de oro necesarias para nuclear las nanopartículas de oro. Este efecto no se pudo lograr recalentando la masa de vidrio.
Al ajustar la temperatura y el tiempo de fusión del vidrio en el crisol de oro, los científicos pudieron controlar la concentración de iones de oro desde 6 partes por millón hasta 75 ppm. Al ajustar la temperatura y el tiempo de calentamiento del polvo, se formaron de forma fiable nanopartículas de oro en el rango de 30 a 90 nanómetros, cuyas densidades numéricas se podían ajustar en dos órdenes de magnitud.
La capacidad de variar sistemáticamente el tamaño, la concentración y la dispersión de las nanopartículas permite el diseño específico de características de resonancia de plasmón. Esto abre la posibilidad de estudiar en profundidad la mejora de la luminiscencia de las tierras raras mediante el acoplamiento con nanopartículas de oro plasmónicas adaptadas distribuidas en el volumen de vidrio de telurito.
Al resolver los desafíos actuales en la producción confiable de nanopartículas de oro con respuestas plasmónicas sintonizables, los investigadores han abierto la puerta de par en par para explorar los efectos plasmónicos en los vidrios de telurito. Sus técnicas superan obstáculos anteriores que obstaculizaban dichos estudios al permitir un control específico sobre las propiedades de las nanopartículas, como el tamaño y el espaciado.
Los resultados podrían afectar futuros amplificadores, láseres, polarizadores y sensores basados en telurito. Pero lo más fundamental es que la fabricación sistemática de nanopartículas de diseño puede revelar detalles más intrincados de las interacciones luz-materia controladas por resonancia de plasmón, iluminando efectos cuánticos que abarcan la transición entre las partículas microscópicas y los rangos de longitud de onda óptica macroscópica.
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