کاربرد نانوذرات پلاسمونیکی

نانوذرات پلاسمونیکی کاربردهای گوناگونی در طیف‌سنجی، افزایش نرخ فلوئورسانس مولکول ، ابزارهای فوتونیکی برای حسگرهای زیستی و شیمیایی، افزایش بهره سلول خورشیدی و ... دارند. 

  • افزایش بازده سلول خورشیدی با استفاده از نانونوذرات پلاسمونیکی

سلول­‌های خورشیدی از جمله وسایل اپتوالکترونیکی می­‌باشند که انرژی خورشید را به صورت مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می­‌کنند. از این رو، تولید سلول­‌های خورشیدی امروزه رشد فزاینده­ای داشته است و توجه بسیاری از محققین را به خود جلب نموده است. در حال حاضر هزینه بالا و بازده پایین سلول خورشیدی سبب استفاده محدود از این فناوری می­‌باشد. بنابراین طراحی و ساخت سلول خورشیدی با بازده بالا از اهمیت به سزایی برخوردار است. راه­کارهای متنوعی به منظور افزایش بهره سلول خورشیدی مورد مطالعه قرار گرفته است. از جمله این راه­کارها می‌­توان به لایه ضد بازتاب ، استفاده از بلورهای فوتونیک  و به کارگیری نانوذرات پلاسمونیکی  اشاره نمود. از میان این راه­کارهای ارائه شده استفاده از نانوذرات پلاسمونیکی به دلیل تشکیل پلاسمون سطحی جایگزیده در اطراف نانوذرات توجه بسیاری از محققین را به خود جلب نموده است.

به منظور افزایش بهره سلول خورشیدی به دو طریق می‌توان از نانوذرات استفاده نمود که در شکل 1 نشان داده شده است. یکی از عوامل کاهش بهره سلول خورشیدی بازتاب از سطح سلول خورشیدی می‌باشد. بنابراین با به کارگیری نانوذرات مطابق با شکل  1 بر روی سطح سلول، تشکیل پلاسمون سطحی جایگزیده در اطراف نانوذرات، پراکندگی نور فرودی و همچنین کاهش بازتاب از سطح سلول را به همراه دارد. با کاهش میزان بازتاب از سطح سلول، میزان نور عبوری به سمت سلول افزایش می‌یابد. به کارگیری نانوذرات پلاسمونیکی در انتهای سلول مطابق با شکل 1  موجب برانگیختگی مدهای پلاسمونیکی و تشکیل یک میدان الکترومغناطیس قوی در اطراف آن‌ها می‌گردد. از آنجا ‌که میزان جذب درون سلول با .شدت میدان الکترومغناطیس متناسب است، این فرآیند افزایش چشمگیری در میزان جذب انرژی توسط سلول را به همراه خواهد داشت.

 

شکل 1. روش‌های مختلف به کارگیری نانوذرات پلاسمونیکی به منظور افزایش بهره سلول خورشیدی

 

  • افزایش نرخ فلوئورسانس مولکول با استفاده از نانوذرات پلاسمونیکی

یکی دیگر از کاربرد نانوذرات، افزایش سیگنال فلوئورسانس مولکول می‌­باشد. در سال­‌های اخیر پژوهش­‌های بیشماری بر روی به کارگیری نانوساختارها، جهت افزایش سیگنال فلوئورسانس صورت گرفته است . به کمک نانوذرات فلزی می­‌توان نرخ واپاشی تابشی گسیل­‌کننده­‌هایی که در میدان نزدیک نانوذرات قرار گرفته‌­اند را کنترل کرد. اساس این فرآیند تشکیل پلاسمون سطحی جایگزیده درون نانوذرات فلزی می­‌باشد. پدیده فلوئورسانس به صورت کلی در دو مرحله برانگیختگی و گسیل خودبه­‌خودی انجام می­‌گردد. در این پدیده، مولکول با کسب انرژی تابشی، از یک تراز با انرژی کمتر، به ترازی با انرژی بالاتر برانگیخته می­‌شود. در حالت برانگیختگی مولکول ناپایدار است و تمایل دارد انرژی گرفته شده را با گسیل خودبه­‌خودی پس داده و به حالت پایه بازگردد. اما اتفاقی که در فلوئورسانس رخ می­‌دهد این است که مولکول برانگیخته، به یکباره به تراز اولیه‌­ی خود برنمی­‌گردد، بلکه با آمدن به ترازهای میانی، خود را کم کم به حالت پایدار اولیه نزدیک می­‌کند. در شکل 2 ، نمای کلی از پدیده فلوئورسانس نشان داده شده است. 

شکل 2. نمای کلی از پدیده فلوئورسانس

 

  • درمان بیماری سرطان به کمک نانوذرات پلاسمونیکی

بیماری سرطان یکی از چالش­ برانگیزترین بیماری­‌ها محسوب می­شود. با گسترش دانش پیرامون این بیماری پیشرفت­‌های بسیاری برای درمان آن صورت گرفته است. یکی از راه­‌های درمان این بیماری، روش شیمی درمانی است. در این روش تنها سلول­‌های سرطانی درگیر نمی‌­شوند بلکه سلول­‌های سالم که اطراف این سلول­‌های سرطانی هستند نیز درگیر می‌­شوند. در سال­های اخیر روش­‌هایی ابداع شده­‌اند که تا حدودی توانسته­‌اند مشکلات مربوط به روش شیمی درمانی را رفع نمایند. از جمله این روش­‌ها می­‌توان به استفاده از نانوذرات اشاره نمود و به واسطه این نانوذرات می­توان تا حدودی مشکل روش شیمی درمانی را حل نمود به دلیل اینکه نانوذرات پلاسمونیکی این قابلیت را دارند که تنها سلول­های سرطانی را تحت تاثیر قرار دهند. نانوذرات طلا با هندسه‌­های متفاوتی مانند کره، میله، مثلثی، مکعبی و ... مورد استفاده در پزشکی که در شکل 3نشان داده شده است تهیه می­‌شوند. در ادامه به بررسی نانوپوسته به منظور درمان بیماری سرطان می­پردازیم.

 

شکل 3. نانوذرات طلا با هندسه‌های مختبف مورد استفاده در پزشکی

 

در سال­های اخیر، نانوپوسته شامل هسته از جنس دی­‌الکتریک با پوسته نازک فلزی به منظور درمان بیماری سرطان مورد توجه محققان قرار گرفته است.

به منظور درمان بیماری سرطان، محققین نانوپوسته متشکل از هسته از جنس سیلیکا و پوسته از جنس طلا را به آنتی­‌بادی­‌هایی (شناساگرها) که قابلیت شناسایی سلول سلول سرطانی را دارند، متصل می­کنند و به آن­ها نور در ناحیه فروسرخ می­تابانند. محققان با انتخاب دقیق و مناسب نسبت هسته به پوسته، نانوپوسته را طوری طراحی می­کنند که جذب­‌کننده قوی نور در ناحیه مادون قرمز باشند. زمانی که نانوپوسته نور را جذب می­‌کند در آن­ها پدیده تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده رخ می­‌دهد و نانوپوسته شروع به گرم شدن می­‌کند و گرمای حاصل از آن­ها باعث از بین رفتن سلول سرطانی می­شود، بدون آنکه صدمه­ای به سلول­های همسایه و بافت­های سالم برسد. مراحل درمان سرطان به کمک نانوذرات پلاسمونیکی در شکل زیر نشان داده شده است.