Ein Verfahren zur Ausrichtung von Goldnanostäben in magnetischen Feldern

Ein internationales Forscherteam hat eine Methode entwickelt, die es erlaubt, Goldnanostäbe unter Erhalt deren optischer Eigenschaften in magnetischen Feldern auszurichten.

“Goldnanostäbe sind deshalb von besonderem Interesse, weil sie Licht definierter Wellenlängen stark streuen und absorbieren, was sie für Anwendungen beispielsweise in der medizinischen Bildgebung, in Sensoranwendungen und anderen Technologiebereichen prädestiniert,” erläutert Joe Tracy, korrespondierender Autor eines Zeitschriftenartikels zu dieser Arbeit und Professor für Materialforschung an der North Carolina State University.

Die Anpassung der Dimension der Goldnanostäbe ermöglicht die Kontrolle der Wellenlängenbereiche von absorbiertem und gestreutem Licht. Darüber hinaus eröffnet die magnetische Ausrichtung der Nanostäbe eine weitere Möglichkeit, diese Wellenlängenbereiche gezielt zu modulieren.

“Anders ausgedrückt: Indem wir die Ausrichtung der Nanostäbe beeinflussen können, erzielen wir eine verbesserte Kontrolle über deren optische Eigenschaften,” sagt Joe Tracy. “Und die erreichte Ausrichtung über magnetische Felder ermöglicht uns diese Art von Kontrolle ohne direkten Kontakt mit den Nanostäben.”

In ihrer Methode verwenden die Wissenschaftler zwei verschiedene Dispersionen von Goldnanostäben einerseits und Eisenoxidnanopartikeln andererseits. Durch Mischung dieser Dispersionen wird eine Bindung der Eisenoxidnanoteilchen auf der Oberfläche der Goldnanostäbe erzielt. Diese “dekorierten” Goldnanostäbe können dann bereits in einem vergleichsweise schwachen magnetischen Feld ausgerichtet werden.

“In unserer Studie haben wir untersucht was während dieses Prozesses passiert und wie gut dieser funktioniert,” sagt Tracy. “Wir haben gezeigt, dass wir die Goldnanostäbe ausrichten können ohne deren optische Eigenschaften zu stören oder negativ zu beeinflussen.”

“Außerdem haben die verwendeten Nanostäbe das kleinste Länge-zu-Dicke Verhältnis unter den bekannten, bislang verwendeten elongierten Nanoteilchen, die nach Dekoration mit Eisenoxidnanopartikeln im magnetischen Feldern ausgerichtet wurden,” ergänzt Mehedi Rizvi, Erstautor des Artikels und Doktorand an der NC State.

“Damit unser Ansatz funktioniert, musste wir das System hinsichtlich zahlreicher Aspekte wie der Dimension der Goldnanostäbe und Eisenoxidnanopartikel und deren Zahlenverhältnis optimieren,” sagt Rizvi.

“Momentan untersuchen wir Anwedundungsmöglichkeiten im Bereich der Bildgebung, für welche die multifunktionellen Eigenschaften von magnetischen modifizierten Goldnanostäben vorteilhaft sind,” sagt Tracy.

Der Artikel, “Magnetic Alignment for Plasmonic Control of Gold Nanorods Coated with Iron Oxide Nanoparticles,” ist frei zugänglich in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Weitere Autoren der Arbeit sind William Crumpler, ehemaliger Student and der NC State; Ruosong Wang und Jonas Schubert vom Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.; Christian Roßner und Andreas Fery vom Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. sowie der Technischen Universität Dresden; und Amy Oldenburg von der University of North Carolina, Chapel Hill.

Die Arbeit wured unterstützt durch die National Science Foundation unter den Projekten CMMI-1763025 und CBET-1803830; durch die Alexander-von-Humboldt Stiftung; durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft; durch den Fonds der Chemischen Industrie; sowie durch das China Scholarship Council.

-shipman-

Note to Editors: The study abstract follows.

“Magnetic Alignment for Plasmonic Control of Gold Nanorods Coated with Iron Oxide Nanoparticles”

Authors: Mehedi H. Rizvi, William D. Crumpler and Joseph B. Tracy, North Carolina State University; Ruosong Wang and Jonas Schubert, Leibniz Institute of Polymer Research Dresden; Christian Rossner and Andreas Fery, Leibniz Institute of Polymer Research Dresden and Technische Universität Dresden; and Amy L. Oldenburg, University of North Carolina, Chapel Hill

Published: June 9, Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202203366

bstract: Plasmonic nanoparticles that can be manipulated with magnetic fields are of interest for advanced optical applications, diagnostics, imaging, and therapy. Alignment of gold nanorods yields strong polarization-dependent extinction, and use of magnetic fields is appealing because they act through space and can be quickly switched. In this work, cationic polyethyleneimine-functionalized superparamagnetic Fe₃O₄ nanoparticles (NPs) are deposited on the surface of anionic gold nanorods coated with bovine serum albumin. The magnetic gold nanorods (MagGNRs) obtained through mixing maintain the distinct optical properties of plasmonic gold nanorods that are minimally perturbed by the magnetic overcoating. Magnetic alignment of MagGNRs arising from magnetic dipolar interactions on the anisotropic gold nanorod core is comprehensively characterized, including structural characterization and enhancement (suppression) of the longitudinal surface plasmon resonance and suppression (enhancement) of the transverse surface plasmon resonance for light polarized parallel (orthogonal) to the magnetic field. MagGNRs can also be driven in rotating magnetic fields to rotate at frequencies of at least 17 Hz. For suitably large gold nanorods (148 nm long) and Fe₃O₄ NPs (13.4 nm diameter), significant alignment is possible even in modest (<500 Oe) magnetic fields. An analytical model provides a unified understanding of the magnetic alignment of MagGNRs.