Redistribuição de campo eletromagnético induziu catálise seletiva de superfície conduzida por plasmon em nanofios metálicos

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 17223 (2015) Citar este artigo

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Para a nova interpretação do espectro Raman da molécula na superfície do metal, as reações de catálise de superfície dirigida por plasmon (PDSC) tornaram-se um tópico interessante no campo de pesquisa de espalhamento Raman aprimorado de superfície (SERS). Neste trabalho, as reações seletivas de PDSC de p,p'-dimercaptoazobenzeno (DMAB) produzido a partir de para-aminotiofenol (PATP) ou 4-nitrobenzenotiol (4NBT) foram demonstradas em sistemas de filmes dímero-Au de nanofios de Ag. Os diferentes espectros SERS coletados em partes individuais e partes adjacentes do mesmo sistema nanofio-filme apontaram a importância da redistribuição do campo eletromagnético induzida pela carga da imagem no filme nesta catálise seletiva de superfície, o que foi confirmado pela simulação eletromagnética simulada. distribuições de campo. Nosso resultado indicou que esta catálise de superfície seletiva induzida pela redistribuição do campo eletromagnético foi amplamente afetada pela polarização e comprimento de onda da luz incidente, mas ligeiramente pela diferença de diâmetros entre dois nanofios. Nosso trabalho fornece uma compreensão mais aprofundada da reação PDSC em nanoestrutura metálica e pode ser um suporte profundo para as pesquisas em catálise de superfície e análise de superfície.

Devido às propriedades encantadoras de manipular a luz sob comprimento de onda, o plasmon experimenta uma rápida expansão desde o início deste século e, como uma interdisciplinaridade emergente, atrai enorme interesse de pesquisadores científicos não apenas em física, mas também em química, biologia, materialologia, etc. 2,3. Essa fantástica capacidade de limitar a luz origina-se da oscilação coletiva de elétrons livres perto da superfície do metal excitada pela luz, que é chamada de polaritons de plasmon de superfície (SPPs). A geração de SPPs em nanoestruturas metálicas resulta na distribuição não uniforme de campos eletromagnéticos perto da superfície do metal. Quando ocorre a oscilação ressonante dos elétrons livres, a chamada ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR), esta não uniforme atinge o máximo e faz com que o campo eletromagnético em algumas áreas próximas à superfície do metal fique extremamente intensificado. Este campo eletromagnético extremamente aprimorado traz uma melhoria drástica na eficiência de vários processos ópticos em superfícies, como espalhamento Raman aprimorado de superfície (SERS)4,5,6, catálise de superfície acionada por plasmônico (PDSC)7,8,9,10, calor geração de elétrons11,12, efeitos de segundo harmônico13,14, captura plasmônica15,16, atividade óptica aprimorada plasmônica9,17,18, sensor plasmônico19,20,21, etc.

Entre esses fenômenos ópticos aprimorados plasmônicos, as pesquisas em PDSC são de importante significado teórico e perspectivas de aplicação. Nos últimos vinte anos, os três picos Raman adicionais de PATP adsorvidos na superfície do metal em 1143, 1390 e 1432 cm-1 foram comumente considerados como resultados do aprimoramento químico em SERS. No entanto, em 2009, os pesquisadores previram teoricamente que esses três Raman vieram da nova molécula DMAB, mas não do PATP, que havia um progresso de fotocatálise na superfície do metal chamado PDSC22, que logo foi demonstrado no mesmo ano na superfície do filme de Ag e nanoesferas de Ag8,23 . Nos cinco anos seguintes, as pesquisas nessa área exploraram rapidamente que diferentes nanoestruturas metálicas (Au, Ag, Cu) como nanofios24, nanoesferas25, nanopartículas26 foram investigadas e outra reação PDSC de DMAB gerada por 4NBT também foi relatada7. Explorar as características das moléculas e da superfície do metal na reação PDSC é a principal missão deste campo científico, que é muito importante para distinguir os sinais SERS dos alvos de origem ou da nova molécula catalisada.

Uma vez que este processo de catálise de superfície requer SPPs com alta energia para quebrar a ligação química (NH em PATP e NO em 4NBT), o estado de SPPs perto da molécula é bastante importante para as reações PDSC. Como se sabe, o fator de estrutura da superfície metálica domina as propriedades dos SPPs1,27. Portanto, verificar o processo PDSC em várias nanoestruturas metálicas é a questão crucial nesta área. Devido à construção simples e fabricação conveniente, os sistemas de filme de nanopartículas de metal são os substratos SERS amplamente utilizados em sensores químicos e biológicos20,28. Nos últimos dois anos, a redistribuição do campo eletromagnético causada pelo acoplamento de carga de superfície em nanopartículas e carga de imagem em filme nos sistemas foi relatada que a energia da luz confinada poderia ser modulada em diferentes áreas de subcomprimento de onda através da manipulação do comprimento de onda da luz incidente29, 30,31. Portanto, estudar a influência da redistribuição do campo eletromagnético nas reações PDSC é a fronteira interessante de pesquisas em áreas afins.