表面等离子体纳米结构光热效应及纳米颗粒操控

Plasmonic metallic nanostructures can be used for controlling temperature on the nanoscale. Under illumination at the plasmon resonance, metallic nanostructures, behaving as remotely controllable nano-sources of heat, provide an unprecedented way to study microscopic thermal-induced phenomena. This project investigates the basic principle of the photothermal effect of plasmonic nanostructures. Detailed theoretical models will be developed to study the photothermal effect of complex plasmonic nanostructures. Transport of nanoparticles along the temperature gradient in nanoparticle suspensions will be studied. Nanoparticle manipulation will be realized by taking advantage of both optical force and thermal force in plasmonic nanostructures. The optical trapping of plasmonic nanoparticles will be studied using focused laser beams to create optical and thermal trapping potential wells while the trapped nanoparticles contribute into heat generation. The project aims at understanding the physical mechnism of photothermal effect of nanostructures, studying the thermal-induced motion of nanoparticles in a temperature field, and realizing optical manipulation of nanoparticles, which provides theoretical and technical foundations for applying plasmonic nanoparticles and nanostructures in biomedical labelling, sensing and cancer therapy.

金属纳米结构可以用来控制纳米尺度范围内的温度场分布。用表面等离子体谐振频率的激光照射金属纳米结构，可实现光学控制的纳米热源，为研究微观热致效应提供前所未有的技术手段。本项目以金属纳米结构为研究对象，对表面等离子体纳米结构的光热效应进行基础研究。该研究将建立复杂纳米结构热效应的理论模型；研究纳米颗粒在温度梯度场作用下的热泳运动规律；结合纳米结构的光学作用力和热作用力实现纳米颗粒的操控；利用金属纳米颗粒自身热效应，用聚焦激光束实现纳米颗粒有效光学控制。本项目旨在揭示纳米结构光热效应的物理机理，研究纳米颗粒在温度场中的运动规律，实现纳米颗粒的光学操控，为纳米颗粒和表面等离子体器件在生物标记、传感及癌细胞创伤等领域的应用提供理论和技术基础。

当激光照射金属纳米结构时，产生表面等离子体谐振效应，使金属纳米结构表面电磁场增强，从而增强金属的热效应。纳米结构热效应包含结构吸收光能和光能转换为热能的传递过程。本项目研究了表面等离子体纳米结构的光吸收增强效应，分析了光吸收引发的热效应和纳米结构间的热传递。通过纳米颗粒热传递的理论分析和数值模拟计算，分析了SiC纳米颗粒间热传递受颗粒尺度的影响。结果表明，由于近场作用，改变纳米颗粒的尺寸和位置，能使纳米颗粒间热辐射增强3个数量级。在宽光谱吸收理论研究的基础上，我们制作了耐高温金属材料的纳米随机结构和周期结构，实现了400 nm 到1500 nm波长范围内大于80%的宽光谱吸收，并实现结构参数对吸收光谱的调制性能。设计了结合热效应产生的热作用力和表面等离子体谐振产生的光作用力的纳米粒子操控结构，使得纳米颗粒的诱捕更有效、范围更大。利用分子荧光偏振各向异性特性，实验测量了纳米颗粒在溶液中受激光激发的温度分布。本项目的研究内容为提高宽光谱吸收、调制物体表面发射率及更有效的光学诱捕提供了研究基础。