在人類這種尺度上，控制溫度是一個簡單的概念，如海龜曬太陽來保暖。要冷卻剛出爐的蛋糕，只需把蛋糕放在室溫的工作臺上。然而在納米級（距離不到人類頭發(fā)最薄寬度的百分之一）控制溫度要困難得多。

納米尺度的距離是如此之小，以至于物體很容易變得熱耦合：如果一個物體升溫到一定的溫度，它的鄰居也會升溫。當(dāng)科學(xué)家使用光束作為熱源時，還有一個額外的挑戰(zhàn)：由于熱量擴(kuò)散，光束路徑上的物質(zhì)加熱到幾乎相同的溫度。

這使得很難控制光束內(nèi)物體的熱分布，科學(xué)家們從來沒有能夠單獨利用光在納米尺度上積極地塑造和控制熱景觀，至少截止目前在還沒有?，F(xiàn)在在《ACS Nano》上發(fā)表的一項研究中，科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計并測試了一個實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用近紅外激光將兩個金納米羅德天線（在納米級設(shè)計并制造的金屬棒）主動加熱到不同的溫度。納米棒靠得如此之近，以至于它們都是電磁耦合和熱耦合的。由華盛頓大學(xué)、萊斯大學(xué)和天普大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組測量了這些金屬棒之間高達(dá)20攝氏度的溫差。

通過簡單地改變激光波長，也可以改變哪個金納米羅德天線更冷，哪個更熱，即使這些棒是由同樣的材料制成。如果把兩個相似的物體放在一張桌子上，通常會認(rèn)為它們的溫度相同。同樣的道理也適用于納米尺度。在這里，可以將兩個具有相同材料組成的耦合物體暴露在同一束光線下，其中一個物體會比另一個物體溫度更高。Masiello的團(tuán)隊進(jìn)行了理論建模來設(shè)計這個系統(tǒng)，與萊斯大學(xué)化學(xué)、電氣和計算機(jī)工程教授斯蒂芬?林克和天普大學(xué)化學(xué)副教授凱瑟琳?威利斯合作，共同撰寫了這篇研究論文并進(jìn)行了測試。

該系統(tǒng)由兩根金制成的納米棒組成，一根150納米長，另一根250納米長，比人類最薄的頭發(fā)還要薄100倍。研究人員把納米棒緊密地放在一起，首尾相連地放在一個被甘油包圍的玻片上。選擇金有特定的原因。對于像近紅外激光這樣的能量來源，黃金中的電子可以很容易地“振蕩”。這些電子振蕩，或表面等離子體共振，有效地將光轉(zhuǎn)化為熱。雖然這兩種納米棒都是由金制成，但它們不同的尺寸，依賴性等離子體極化意味著它們具有不同的電子振蕩模式。研究團(tuán)隊計算出，如果金納米羅德天線等離子體激元以相同或相反的相位振蕩。

可以達(dá)到不同的溫度——抵消熱擴(kuò)散的影響。研究團(tuán)隊設(shè)計了這個實驗系統(tǒng)，并用近紅外激光照射納米棒進(jìn)行測試。研究了光束在兩種波長下的效應(yīng)：一種波長用于振蕩具有相同相位的納米棒等離子體激元，另一種波長用于振蕩相反相位的納米棒激元。研究小組無法在納米尺度上直接測量每個納米腳的溫度。相反，收集了加熱納米棒和周圍甘油散射光子的數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊分析了這些數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于納米棒之間的溫度差異，納米棒從綠色光束折射光子的方式不同。

盛頓大學(xué)化學(xué)系博士生克萊爾·韋斯特(Claire West)說：這項間接測量表明，這些納米棒被加熱到不同的溫度，即使它們暴露在相同的近紅外光束下，而且距離足夠近，可以實現(xiàn)熱耦合。研究小組還發(fā)現(xiàn)，通過改變近紅外光的波長，可以改變哪一種納米棒更短或更長的加熱時間。激光本質(zhì)上可以充當(dāng)一個可調(diào)諧的“開關(guān)”，通過改變波長來改變哪個金納米羅德天線更熱。納米棒之間的溫度差也會隨著它們之間的距離而變化，但會比室溫高20攝氏度。

該團(tuán)隊的發(fā)現(xiàn)基于納米尺度上溫度控制有一系列應(yīng)用。例如，科學(xué)家可以設(shè)計出一種材料，這種材料可以光熱控制納米級精度的化學(xué)反應(yīng)，或者利用溫度觸發(fā)的微流體通道過濾微小生物分子。研究人員正致力于設(shè)計和測試更復(fù)雜的系統(tǒng)，如納米棒的團(tuán)簇和陣列。這需要更復(fù)雜的建模和計算。但是，考慮到迄今為止的進(jìn)展，研究團(tuán)隊樂觀地認(rèn)為，理論和實驗研究小組之間的這種獨特伙伴關(guān)系將繼續(xù)取得進(jìn)展。這是一個團(tuán)隊的努力，經(jīng)過多年努力，終于取得了成效。

博科園｜研究/來自：華盛頓大學(xué)

參考期刊《ACS Nano》

DOI: 10.1021/acsnano.9b04968

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