高達20攝氏度的溫差，實現在納米尺度上，控制熱量分布！

2020-10-18 博科園

在人類這種尺度上，控制溫度是一個簡單的概念，如海龜曬太陽來保暖。要冷卻剛出爐的蛋糕，只需把蛋糕放在室溫的工作檯上。然而在納米級（距離不到人類頭髮最薄寬度的百分之一）控制溫度要困難得多。納米尺度的距離是如此之小，以至於物體很容易變得熱耦合：如果一個物體升溫到一定的溫度，它的鄰居也會升溫。當科學家使用光束作為熱源時，還有一個額外的挑戰：由於熱量擴散，光束路徑上的物質加熱到幾乎相同的溫度。

這使得很難控制光束內物體的熱分布，科學家們從來沒有能夠單獨利用光在納米尺度上積極地塑造和控制熱景觀，至少截止目前在還沒有。現在在《ACS Nano》上發表的一項研究中，科學家已經設計並測試了一個實驗系統，該系統使用近紅外雷射將兩個金納米羅德天線（在納米級設計並製造的金屬棒）主動加熱到不同的溫度。納米棒靠得如此之近，以至於它們都是電磁耦合和熱耦合的。由華盛頓大學、萊斯大學和天普大學研究人員領導的研究小組測量了這些金屬棒之間高達20攝氏度的溫差。

通過簡單地改變雷射波長，也可以改變哪個金納米羅德天線更冷，哪個更熱，即使這些棒是由同樣的材料製成。如果把兩個相似的物體放在一張桌子上，通常會認為它們的溫度相同。同樣的道理也適用於納米尺度。在這裡，可以將兩個具有相同材料組成的耦合物體暴露在同一束光線下，其中一個物體會比另一個物體溫度更高。Masiello的團隊進行了理論建模來設計這個系統，與萊斯大學化學、電氣和計算機工程教授史蒂芬·林克和天普大學化學副教授凱薩琳·威利斯合作，共同撰寫了這篇研究論文並進行了測試。

該系統由兩根金製成的納米棒組成，一根150納米長，另一根250納米長，比人類最薄的頭髮還要薄100倍。研究人員把納米棒緊密地放在一起，首尾相連地放在一個被甘油包圍的玻片上。選擇金有特定的原因。對於像近紅外雷射這樣的能量來源，黃金中的電子可以很容易地「振蕩」。這些電子振蕩，或表面等離子體共振，有效地將光轉化為熱。雖然這兩種納米棒都是由金製成，但它們不同的尺寸，依賴性等離子體極化意味著它們具有不同的電子振蕩模式。研究團隊計算出，如果金納米羅德天線等離子體激元以相同或相反的相位振蕩。

可以達到不同的溫度——抵消熱擴散的影響。研究團隊設計了這個實驗系統，並用近紅外雷射照射納米棒進行測試。研究了光束在兩種波長下的效應：一種波長用于振蕩具有相同相位的納米棒等離子體激元，另一種波長用于振蕩相反相位的納米棒激元。研究小組無法在納米尺度上直接測量每個納米腳的溫度。相反，收集了加熱納米棒和周圍甘油散射光子的數據。研究團隊分析了這些數據，發現由於納米棒之間的溫度差異，納米棒從綠色光束折射光子的方式不同。

盛頓大學化學系博士生克萊爾·韋斯特(Claire West)說：這項間接測量表明，這些納米棒被加熱到不同的溫度，即使它們暴露在相同的近紅外光束下，而且距離足夠近，可以實現熱耦合。研究小組還發現，通過改變近紅外光的波長，可以改變哪一種納米棒更短或更長的加熱時間。雷射本質上可以充當一個可調諧的「開關」，通過改變波長來改變哪個金納米羅德天線更熱。納米棒之間的溫度差也會隨著它們之間的距離而變化，但會比室溫高20攝氏度。

該團隊的發現基於納米尺度上溫度控制有一系列應用。例如，科學家可以設計出一種材料，這種材料可以光熱控制納米級精度的化學反應，或者利用溫度觸發的微流體通道過濾微小生物分子。研究人員正致力於設計和測試更複雜的系統，如納米棒的團簇和陣列。這需要更複雜的建模和計算。但是，考慮到迄今為止的進展，研究團隊樂觀地認為，理論和實驗研究小組之間的這種獨特夥伴關係將繼續取得進展。這是一個團隊的努力，經過多年努力，終於取得了成效。

博科園｜研究/來自：華盛頓大學

參考期刊《ACS Nano》

DOI: 10.1021/acsnano.9b04968

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