Причина аномального усиления электромагнитных полей во фрактальных агрегатах металлических наночастиц и способах управления их локальной структурой

 

В большинстве известных работ проявление необычных электродинамических свойств неупорядоченных агрегатов плазмонно-резонансных наночастиц приписывается исключительно их фрактальной структуре. В работах (Karpov S.V. et al., Phys.Rev.B, 2005, 72, 205425; Karpov S.V. et al., J. Chem. Phys., 2006, 125, 111101) впервые показано, что данный подход требует существенного уточнения, поскольку уникальность физических свойств фрактальных коллоидных структур обусловлена прежде всего локальной анизотропией окружения отдельных частиц другими частицами того же агрегата. Именно эта структурная особенность физических фракталов - их локальная, а не макроскопическая геометрия играет ключевую роль в электродинамических взаимодействиях агрегатов сферических наночастиц с внешними электромагнитными полями.

Нами введены параметры, количественно характеризующие локальную анизотропию [1]. Обнаружена сильная корреляция в пространственном расположении в агрегатах частиц с максимальным значением локальной анизотропии окружения и напряженности локального поля на примере наноагрегатов серебра для видимого диапазона спектра (Рис. 1).

2007_1_1.jpg

Рис. 1. Зависимости от номера частицы фактора локальной анизотропии относительно оси и квадрата локального значения дипольного момента, наведенного полем с поляризацией вдоль той же оси на частицах агрегата (N = 150).

Исследована взаимосвязь между фактором локальной анизотропии (S) и фрактальной размерностью агрегатов D в диапазоне 1.6 < D < 2.8. Обнаружена независимость S агрегатов, а значит и их оптических свойств, от D в широком диапазоне значений (1.6 < D < 2.5) (Рис. 2).

2007_1_2.jpg

Рис. 2. Зависимость локальной анизотропии от фрактальной размерности (D) монодисперсного агрегата, состоящего из N = 500 частиц.

Представлены экспериментальные доказательства взаимообусловленности электродинамических характеристик агрегатов связанных наночастиц и их локального окружения [2]. Реализован непрямой метод регистрации процесса изменения локальной структуры агрегатов с помощью спектров плазмонного поглощения. Предложены и реализованы возможные способы управления локальной структурой агрегатов наночастиц серебра: а) путем сжатия агрегатов, помещенных в полимерную матрицу, при значительном уменьшении ее объема, б) при изменении концентрации водорастворимого полимера в дисперсионной среде, как фактора, влияющего на степень упорядоченности агрегатов.

Полученные результаты послужили основанием для замены термина "оптика фрактальных наноструктур" на более универсальный - "оптика локально анизотропных наноструктур", отражающий физическую картину явлений в данном типе объектов.

  1. Карпов С.В., Герасимов В.С., Исаев И.Л., Подавалова О.П., Слабко В.В. // Коллоид. журн. – 2007. - Т. 69, № 2. - С. 178-189.
  2. Карпов С.В., Герасимов В.С., Грачев А.С., Исаев И.Л., Подавалова О.П., Слабко В.В. // Коллоид. журн. – 2007. - Т. 69, № 2. - С. 190-200.

Лаборатория когерентной оптики