در مقیاس انسانی ، کنترل دما یک مفهوم سرراست است. لاک پشت ها برای گرم نگه داشتن خود آفتاب می گیرند. برای خنک کردن یک پای تازه از فر ، آن را روی یک میز در دمای اتاق قرار دهید.
در مقیاس نانو - در فواصلی کمتر از یک صدم عرض نازکترین موی انسان - کنترل دما بسیار دشوارتر است. فواصل نانو مقیاس آنچنان کوچک هستند که اشیاء به راحتی از نظر گرمایی جفت می شوند: اگر یک جسم تا دمای معینی گرم شود ، همسایه آن نیز چنین می شود.
هنگامی که دانشمندان از پرتوی نور به عنوان منبع گرما استفاده می کنند ، یک چالش اضافی نیز وجود دارد: به لطف انتشار گرما ، مواد در مسیر پرتو تقریباً با همان درجه حرارت گرم می شوند و دستکاری پروفایل های حرارتی اشیاء موجود در پرتو دشوار می شود. دانشمندان هرگز نتوانسته اند به تنهایی از نور استفاده کنند تا به طور فعال مناظر حرارتی را در مقیاس نانو شکل دهند و کنترل کنند. حداقل ، نه تا الان.
در مقاله ای که توسط مجله ACS Nano به صورت آنلاین منتشر شد ، تیمی از محققان گزارش می دهند که آنها یک سیستم آزمایشی را طراحی و آزمایش کرده اند که در آن از یک لیزر مادون قرمز نزدیک برای گرم کردن فعال دو آنتن طلای نانومیله تا دماهای مختلف استفاده می کنند - میله های فلزی در مقیاس نانو طراحی و ساخته می شوند. نانومیله‌ها به قدری به هم نزدیک هستند که هم از نظر الکترومغناطیسی و هم از نظر حرارتی بهم جفت شده اند. با این حال این تیم به سرپرستی محققان دانشگاه واشنگتن ، دانشگاه رایس و دانشگاه تمپل اختلاف دما بین میله ها تا 20 درجه سانتیگراد اندازه گیری کردند. همچنین به سادگی با تغییر طول موج لیزر توانستند این که کدام میله گرمتر و کدام سردتر باشد را تغییر دهند، حتی گرچه میله ها از یک جنس بودند.
دیوید مازیلو ، مؤلف ارشد مربوطه ، استاد شیمی دانشگاه واشنگتن و عضو هیأت علمی در هر دوی انستیتوی علوم مولکولی و مهندسی و مؤسسه سیستم های نانو مهندسی گفت: "اگر دو شیء مشابه را در کنار یکدیگر روی یک میز قرار دهید ، به طور معمول انتظار دارید که آنها در دمای یکسان باشند. همین امر در مقیاس نانو نیز صادق است." "در اینجا ، ما می توانیم دو شیء جفت شده از یک ترکیب ماده را در معرض یک پرتو قرار دهیم و یکی از این اجسام گرمتر از دیگری بشود."
تیم مازیلو مدل سازی نظری را برای طراحی این سیستم انجام داد. وی با نویسندگان همکار مربوطه ، استفان لینک ، استاد هم شیمی و مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه رایس و کاترین ویلتس ، استادیار شیمی در دانشگاه تمپل همکاری کرد تا آن را بسازد و آزمایش کند.
سیستم آنها از دو نانو میله ساخته شده از طلا تشکیل شده است - یکی 150 نانومتر طول و دیگری 250 نانومتر ، یا حدود 100 برابر نازک تر از باریکترین موهای انسان، طول داشت. محققان نانو میله‌ها را نزدیک به هم ، انتها به انتها روی یک اسلاید شیشه ای احاطه شده با گلیسیرین ، قرار دادند.
آنها به یک دلیل خاص طلا را انتخاب کردند. در پاسخ به منابع انرژی مانند یک لیزر مادون قرمز نزدیک ، الکترون های موجود در طلا می توانند به راحتی "نوسان" کنند. این نوسانات الکترونیکی ، یا رزونانس های پلاسمون سطح ، به طور موثر نور را به گرما تبدیل می کنند. در اینجا ، ما می توانیم دو شیء جفت شده از یک ترکیب ماده را در معرض یک پرتو قرار دهیم و یکی از این اجسام گرمتر از دیگری بشود. اگرچه هر دو نانو میله از طلا ساخته شده بودند ، اما قطبش های پلاسمونی وابسته به اندازه متفاوت آنها به این معنی بود که آنها الگوهای متفاوتی از نوسانات الکترونی داشته باشند. تیم مازیلو محاسبه کرد که اگر پلاسمون های نانو میله با فازهای مشابه یا مخالف دچار نوسان شوند ، آنها می توانند درجه حرارت های مختلفی را به دست آورند - در مقابل اثرات پخش حرارتی.
گروه های لینک و ویلتس سیستم آزمایشی را طراحی کرده و با تاباندن یک لیزر مادون قرمز نزدیک به نانو میله ها ، آن را آزمایش کردند. آنها اثر پرتو را در دو طول موج بررسی کردند - یکی برای نوسان پلاسمون های نانو میله با همان فاز ، دیگری برای فاز مخالف.
این تیم نتوانست به طور مستقیم دمای هر نانو میله را در مقیاس نانو اندازه گیری کند. در عوض ، آنها داده هایی را جمع آوری کردند از این که چگونه نانو میله های گرم شده و گلیسیرین اطراف آنها فوتون هایی را از یک پرتو جداگانه نور سبز پراکنده می کنند. تیم مازیلو آن داده ها را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند و کشف کردند که نانو میله‌ها ، به دلیل تفاوت های دمایی نانومقیاسی بین نانو میله ها ، فوتون ها از پرتو سبز را به گونه های مختلف دچار انکسار می کنند.
کلر وِست ، مؤلف همکار ارشد ، کاندیدای دکترای گروه شیمی دانشگاه واشنگتن ، گفت: "این اندازه گیری غیرمستقیم نشان داد که نانو میله ها تا دماهای مختلفی گرم شده اند ، حتی اگر آنها در معرض همان پرتوی مادون قرمز نزدیک قرار داشته باشند و به اندازه کافی نزدیک به هم باشند تا بتوانند از نظر حرارتی جفت باشند."
این تیم همچنین دریافتند که با تغییر طول موج نور مادون قرمز نزدیک ، آنها می توانند این که کدام نانو میله – کوتاه یا بلند – بیشتر گرم شود را تغییر دهند. لیزر اساساً می تواند به عنوان یک "سوئیچ" قابل تنظیم عمل کند ، و برای تغییر این که کدام نانو میله گرمتر شود طول موج را تغییر دهد. اختلاف دماها بین نانو میله ها همچنین بر اساس فاصله آنها از یکدیگر متفاوت است ، اما تنها تا دمای 20 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای اتاق رسید.
منبع: دانشگاه واشنگتن
در مقیاس نانو - در فواصلی کمتر از یک صدم عرض نازکترین موی انسان - کنترل دما بسیار دشوارتر است. فواصل نانو مقیاس آنچنان کوچک هستند که اشیاء به راحتی از نظر گرمایی جفت می شوند: اگر یک جسم تا دمای معینی گرم شود ، همسایه آن نیز چنین می شود.
هنگامی که دانشمندان از پرتوی نور به عنوان منبع گرما استفاده می کنند ، یک چالش اضافی نیز وجود دارد: به لطف انتشار گرما ، مواد در مسیر پرتو تقریباً با همان درجه حرارت گرم می شوند و دستکاری پروفایل های حرارتی اشیاء موجود در پرتو دشوار می شود. دانشمندان هرگز نتوانسته اند به تنهایی از نور استفاده کنند تا به طور فعال مناظر حرارتی را در مقیاس نانو شکل دهند و کنترل کنند. حداقل ، نه تا الان.
در مقاله ای که توسط مجله ACS Nano به صورت آنلاین منتشر شد ، تیمی از محققان گزارش می دهند که آنها یک سیستم آزمایشی را طراحی و آزمایش کرده اند که در آن از یک لیزر مادون قرمز نزدیک برای گرم کردن فعال دو آنتن طلای نانومیله تا دماهای مختلف استفاده می کنند - میله های فلزی در مقیاس نانو طراحی و ساخته می شوند. نانومیله‌ها به قدری به هم نزدیک هستند که هم از نظر الکترومغناطیسی و هم از نظر حرارتی بهم جفت شده اند. با این حال این تیم به سرپرستی محققان دانشگاه واشنگتن ، دانشگاه رایس و دانشگاه تمپل اختلاف دما بین میله ها تا 20 درجه سانتیگراد اندازه گیری کردند. همچنین به سادگی با تغییر طول موج لیزر توانستند این که کدام میله گرمتر و کدام سردتر باشد را تغییر دهند، حتی گرچه میله ها از یک جنس بودند.
دیوید مازیلو ، مؤلف ارشد مربوطه ، استاد شیمی دانشگاه واشنگتن و عضو هیأت علمی در هر دوی انستیتوی علوم مولکولی و مهندسی و مؤسسه سیستم های نانو مهندسی گفت: "اگر دو شیء مشابه را در کنار یکدیگر روی یک میز قرار دهید ، به طور معمول انتظار دارید که آنها در دمای یکسان باشند. همین امر در مقیاس نانو نیز صادق است." "در اینجا ، ما می توانیم دو شیء جفت شده از یک ترکیب ماده را در معرض یک پرتو قرار دهیم و یکی از این اجسام گرمتر از دیگری بشود."
تیم مازیلو مدل سازی نظری را برای طراحی این سیستم انجام داد. وی با نویسندگان همکار مربوطه ، استفان لینک ، استاد هم شیمی و مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه رایس و کاترین ویلتس ، استادیار شیمی در دانشگاه تمپل همکاری کرد تا آن را بسازد و آزمایش کند.
سیستم آنها از دو نانو میله ساخته شده از طلا تشکیل شده است - یکی 150 نانومتر طول و دیگری 250 نانومتر ، یا حدود 100 برابر نازک تر از باریکترین موهای انسان، طول داشت. محققان نانو میله‌ها را نزدیک به هم ، انتها به انتها روی یک اسلاید شیشه ای احاطه شده با گلیسیرین ، قرار دادند.
آنها به یک دلیل خاص طلا را انتخاب کردند. در پاسخ به منابع انرژی مانند یک لیزر مادون قرمز نزدیک ، الکترون های موجود در طلا می توانند به راحتی "نوسان" کنند. این نوسانات الکترونیکی ، یا رزونانس های پلاسمون سطح ، به طور موثر نور را به گرما تبدیل می کنند. در اینجا ، ما می توانیم دو شیء جفت شده از یک ترکیب ماده را در معرض یک پرتو قرار دهیم و یکی از این اجسام گرمتر از دیگری بشود. اگرچه هر دو نانو میله از طلا ساخته شده بودند ، اما قطبش های پلاسمونی وابسته به اندازه متفاوت آنها به این معنی بود که آنها الگوهای متفاوتی از نوسانات الکترونی داشته باشند. تیم مازیلو محاسبه کرد که اگر پلاسمون های نانو میله با فازهای مشابه یا مخالف دچار نوسان شوند ، آنها می توانند درجه حرارت های مختلفی را به دست آورند - در مقابل اثرات پخش حرارتی.
گروه های لینک و ویلتس سیستم آزمایشی را طراحی کرده و با تاباندن یک لیزر مادون قرمز نزدیک به نانو میله ها ، آن را آزمایش کردند. آنها اثر پرتو را در دو طول موج بررسی کردند - یکی برای نوسان پلاسمون های نانو میله با همان فاز ، دیگری برای فاز مخالف.
این تیم نتوانست به طور مستقیم دمای هر نانو میله را در مقیاس نانو اندازه گیری کند. در عوض ، آنها داده هایی را جمع آوری کردند از این که چگونه نانو میله های گرم شده و گلیسیرین اطراف آنها فوتون هایی را از یک پرتو جداگانه نور سبز پراکنده می کنند. تیم مازیلو آن داده ها را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند و کشف کردند که نانو میله‌ها ، به دلیل تفاوت های دمایی نانومقیاسی بین نانو میله ها ، فوتون ها از پرتو سبز را به گونه های مختلف دچار انکسار می کنند.
کلر وِست ، مؤلف همکار ارشد ، کاندیدای دکترای گروه شیمی دانشگاه واشنگتن ، گفت: "این اندازه گیری غیرمستقیم نشان داد که نانو میله ها تا دماهای مختلفی گرم شده اند ، حتی اگر آنها در معرض همان پرتوی مادون قرمز نزدیک قرار داشته باشند و به اندازه کافی نزدیک به هم باشند تا بتوانند از نظر حرارتی جفت باشند."
این تیم همچنین دریافتند که با تغییر طول موج نور مادون قرمز نزدیک ، آنها می توانند این که کدام نانو میله – کوتاه یا بلند – بیشتر گرم شود را تغییر دهند. لیزر اساساً می تواند به عنوان یک "سوئیچ" قابل تنظیم عمل کند ، و برای تغییر این که کدام نانو میله گرمتر شود طول موج را تغییر دهد. اختلاف دماها بین نانو میله ها همچنین بر اساس فاصله آنها از یکدیگر متفاوت است ، اما تنها تا دمای 20 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای اتاق رسید.
منبع: دانشگاه واشنگتن
