ویژگی اپتیکی نانوذرات فلزی

بررسی برهم­کنش امواج الکترومغناطیس با نانوساختارهای پلاسمونیک از اهمیت بالایی برخوردار است. نانوساختار به موادی گفته می­شود که حداقل یکی از ابعاد آن در مقیاس نانو (1-100نانومتر) باشد. ذرات در ابعاد نانو خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به ذرات با ابعاد بزرگتر بروز می‌­دهند. یکی از جذاب­‌ترین خواص نانوذرات فلزی، خاصیت نوری آن­ها است که به شدت به هندسه و ابعاد نانوذره بستگی دارد. طلا در دنیای ماکروسکوپی زرد رنگ به نظر می­‌رسد، اما در دنیای نانو، همانطور که در شکل (1) نشان داده شده است، با تغییر اندازه نانوذره رنگ طلا تغییر می­‌کند.

شکل 1. تغییر رنگ نانوذره طلا با تغییر ابعاد نانوذره

 

مثال­هایی از کاربرد این خاصیت نانوذرات فلزی به دوران بسیار قدیم برمی­گردد که از نانومواد طبیعی برای تزئینات استفاده می­‌کردند. به عنوان نمونه، برای رنگ­‌آمیزی شیشه­‌های کلیسا از نانوذرات فلزی از جمله طلا و نقره استفاده می­شد (شکل 2). نمونه دیگری که می­‌توان به آن اشاره کرد، نمونه مشهور جام لیکورگوس در رم و متعلق به قرن چهارم میلادی می‌­باشد. این جام تحت نور طبیعی سبزرنگ و زمانی که از پشت نور به آن تابیده شود، قرمزرنگ دیده می‌­شود. این خاصیت جالب به این دلیل است که در ساخت این جام از نانوذرات طلا و نقره استفاده شده است. تصویر این جام و تفاوت رنگ آن در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 2.  شیشه­‌های رنگی کلیسا جز اولین نمونه­‌هایی است که در آن­ها از نانوذرات فلزی استفاده شده است

 

شکل 3. جام لیکورگوس که در رنگ ­آمیزی آن از نانوذرات طلا و نقره استفاده شده است. این جام در موزه بریتانیا نگهداری می­شود.

 

این رفتار منحصر به فرد نتیجه تغییر در فرکانس تشدید پلاسمون سطحی جایگریده در نانوذرات است، یعنی فرکانسی که در آن الکترون­‌های رسانش در پاسخ به میدان الکتریکی نور فرودی به طور دسته جمعی نوسان می­‌کنند. این نوسان باعث تشکیل پلاسمون سطحی جایگزیده و در نتیجه به وجود آمدن یک میدان الکترومغناطیسی قوی در اطراف نانوذره می­شود . اگر فرکانس نور فرودی با فرکانس طبیعی این حرکت نوسانی برابر باشد، تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده رخ می­‌دهد. تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده به پارامترهایی از قبیل هندسه، ابعاد، جنس نانوذره و ضریب شکست محیطی که نانوذره در آن قرار گرفته است بستگی دارد.