高达20摄氏度的温差，实现在纳米尺度上，控制热量分布！

2019-09-27 13:46 作者:博科园 0人读过 | 我要投稿

在人类这种尺度上，控制温度是一个简单的概念，如海龟晒太阳来保暖。要冷却刚出炉的蛋糕，只需把蛋糕放在室温的工作台上。然而在纳米级（距离不到人类头发最薄宽度的百分之一）控制温度要困难得多。

纳米尺度的距离是如此之小，以至于物体很容易变得热耦合：如果一个物体升温到一定的温度，它的邻居也会升温。当科学家使用光束作为热源时，还有一个额外的挑战：由于热量扩散，光束路径上的物质加热到几乎相同的温度。

这使得很难控制光束内物体的热分布，科学家们从来没有能够单独利用光在纳米尺度上积极地塑造和控制热景观，至少截止目前在还没有。现在在《ACS Nano》上发表的一项研究中，科学家已经设计并测试了一个实验系统，该系统使用近红外激光将两个金纳米罗德天线（在纳米级设计并制造的金属棒）主动加热到不同的温度。纳米棒靠得如此之近，以至于它们都是电磁耦合和热耦合的。由华盛顿大学、莱斯大学和天普大学研究人员领导的研究小组测量了这些金属棒之间高达20摄氏度的温差。

通过简单地改变激光波长，也可以改变哪个金纳米罗德天线更冷，哪个更热，即使这些棒是由同样的材料制成。如果把两个相似的物体放在一张桌子上，通常会认为它们的温度相同。同样的道理也适用于纳米尺度。在这里，可以将两个具有相同材料组成的耦合物体暴露在同一束光线下，其中一个物体会比另一个物体温度更高。Masiello的团队进行了理论建模来设计这个系统，与莱斯大学化学、电气和计算机工程教授斯蒂芬•林克和天普大学化学副教授凯瑟琳•威利斯合作，共同撰写了这篇研究论文并进行了测试。

该系统由两根金制成的纳米棒组成，一根150纳米长，另一根250纳米长，比人类最薄的头发还要薄100倍。研究人员把纳米棒紧密地放在一起，首尾相连地放在一个被甘油包围的玻片上。选择金有特定的原因。对于像近红外激光这样的能量来源，黄金中的电子可以很容易地“振荡”。这些电子振荡，或表面等离子体共振，有效地将光转化为热。虽然这两种纳米棒都是由金制成，但它们不同的尺寸，依赖性等离子体极化意味着它们具有不同的电子振荡模式。研究团队计算出，如果金纳米罗德天线等离子体激元以相同或相反的相位振荡。

可以达到不同的温度——抵消热扩散的影响。研究团队设计了这个实验系统，并用近红外激光照射纳米棒进行测试。研究了光束在两种波长下的效应：一种波长用于振荡具有相同相位的纳米棒等离子体激元，另一种波长用于振荡相反相位的纳米棒激元。研究小组无法在纳米尺度上直接测量每个纳米脚的温度。相反，收集了加热纳米棒和周围甘油散射光子的数据。研究团队分析了这些数据，发现由于纳米棒之间的温度差异，纳米棒从绿色光束折射光子的方式不同。

盛顿大学化学系博士生克莱尔·韦斯特(Claire West)说：这项间接测量表明，这些纳米棒被加热到不同的温度，即使它们暴露在相同的近红外光束下，而且距离足够近，可以实现热耦合。研究小组还发现，通过改变近红外光的波长，可以改变哪一种纳米棒更短或更长的加热时间。激光本质上可以充当一个可调谐的“开关”，通过改变波长来改变哪个金纳米罗德天线更热。纳米棒之间的温度差也会随着它们之间的距离而变化，但会比室温高20摄氏度。

该团队的发现基于纳米尺度上温度控制有一系列应用。例如，科学家可以设计出一种材料，这种材料可以光热控制纳米级精度的化学反应，或者利用温度触发的微流体通道过滤微小生物分子。研究人员正致力于设计和测试更复杂的系统，如纳米棒的团簇和阵列。这需要更复杂的建模和计算。但是，考虑到迄今为止的进展，研究团队乐观地认为，理论和实验研究小组之间的这种独特伙伴关系将继续取得进展。这是一个团队的努力，经过多年努力，终于取得了成效。