Guldkorn dyrkar upp nanovärlden

2009-03-03 23:00  
Plasmonikens olika användningsområden. Grafik: Jonas Askergren

Plasmoniken är ett av fysikens hetaste forskningsområden. Med plasmonernas hjälp går det att bygga optiska komponenter, mycket mindre än ljusets egen våglängd. Och de öppnar dörren för kompaktare elektronik, känsligare sensorer och effektivare solceller.

I teorin har plasmoner varit kända sedan länge, och i praktiken har de faktiskt använts sedan romartiden.

Men det är först under de senaste åren som alla möjligheterna börjat förverkligas.

-Tack vare nanotekniken är det nu möjligt att tillverka strukturer som är tillräckligt små och noggranna för många användningsområden. Och det är först nu som det är möjligt att räkna på den komplicerade plasmonteorin, säger Dinko Chakarov, fysiker vid Chalmers.

Vid Teknisk fysik på Chalmers arbetar i dag fyra av sju avdelningar med olika inriktningar på det heta forskningsområdet. Det stora intresset beror på alla de tekniska möjligheter som plasmonerna för med sig.

- Det är en påtaglig och växande del av vår verksamhet de senaste åren, säger Bengt Kasemo, som är avdelningschef för Kemisk fysik vid Chalmers.

- Vi jobbar bland annat med tillämpningar för solceller, vätgaslagring och katalys.

Plasmonresonans är ett fenomen som uppstår när metalliska nanostrukturer, ofta av guld eller silver, belyses.

Ljuset växelverkar med metallen och får dess ledningselektroner att svänga i takt med ljusfrekvensen.

Nanostrukturen kan liknas vid en avstämd radiomottagare som, i stället för radiovågor, fångar upp ljus med en viss färg.

Färgen beror på vilken resonansfrekvens som plasmonen har, vilket i sin tur beror på nanostrukturens sammansättning, form och storlek. I normala fall strålar ljuset ut igen nästan omgående, och lyser med en klar färg; en hundra nanometer stor guldkula skimrar exempelvis rött, medan en silverkula lyser blågrönt.

En egenskap, som utnyttjas i känsliga sensorer, är att plasmonpartikelns resonans ändras av förhållanden i dess omedelbara närhet.

Molekyler alldeles intill partikeln får plasmonen att skifta färg, vilket kan avläsas på långt avstånd.

En annan egenskap, som används i energitillämpningar och molekylspektroskopi, är att ljusets energi kan samlas och förstärkas i en nanometerstor punkt.

- Inom bioområdet är det diagnostik och terapi som är stort. Och inom energi talar man om "light harvesting" och vätgashydrolys, säger Mikael Käll, ansvarig för Bionanofotonik vid Chalmers.

- Inom fotoniken hoppas man kunna styra ljus på nanoskala, och inom materialområdet hoppas man mycket på nya funktionella material baserade på plasmoniska nanostrukturer.

Nyckeln ligger i att kunna tillverka plasmonstrukturer med tillräcklig noggrannhet.

Det är där nanotekniken kommer in. Ett sätt är att låta metallpartiklar växa till på kemisk väg i en lösning, där storlek och form bestäms av pH, salter och andra tillsatser.

Ett annat är att använda litografi, där strukturen mejslas ut ur ett material med exempelvis elektronstrålar.

- Ytterligare ett sätt är att trycka partiklarna med en stämpel. Det skulle kunna bli en storskalig industriell process, säger Fredrik Höök, som är avdelningschef för Biologisk fysik vid Chalmers.

Små metallpartiklar ger gudomligt ljus

* Medeltida kyrkofönster och romerska glasbägare lyser med vackra färger, trots att de inte är målade. I stället har pyttesmå partiklar av guld, silver och koppar blandats in i det genomskinliga glaset.

* Dagens fysiker kallar dem plasmonpartiklar, och dess plasmonresonans får dem att stråla.

* Lycurgus bägare, tillverkad runt 400 före Kristus, är ett paradexempel på plasmonisk konst. När dess utsida belyses av dagsljus skimrar den grön, men när ljuset faller på dess insida ändras färgen till djupt rubinröd. I modern tid har forskare kommit fram till att partiklarna i glaset består av sju delar silver och tre delar guld, spetsade med tio procent koppar. Och de är mellan femtio och hundra nanometer stora. Nu finns bägaren på British Museum.

Anders Wallerius

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Debatt