Govorov和柏林的合作者着手利用纳米结构进行能源和传感

  • 2021-11-30 17:18:40
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致力于光与纳米材料相互作用的世界领先理论物理学家之一亚历山大·戈沃罗夫博士正在与世界上第一台超级计算机之家的合作者合作,应用世界上最好的专业软件来计算复杂的纳米结构,这些结构可以集中光和活力。

作为柏林 Zuse 研究所的 MATH+ 杰出访问学者,Govorov 正在研究与偏振光相互作用的手性纳米结构 - 他是该领域的创始人之一 - 并将其与他在热电子方面的开创性工作相结合。

戈沃罗夫正在研究的纳米晶体具有用于光成像设备、电子设备、传感器甚至生物应用的潜力。但戈沃罗夫着眼于能源应用,以有效地收集太阳能并将其转化为化学燃料。

“这是一个梦想,让它既高效又便宜,”俄亥俄大学 E. 和 R. Kennedy 物理学杰出教授戈沃罗夫说。

在他位于雅典的实验室中,Govorov 的团队拥有强大的计算机集群和商业软件。在柏林,Sven Burger 博士使用专门的软件进行计算纳米科学和电磁计算。这两个小组已经合作了三年,在这项新的努力中,他们将开发应用于能源研究和光子学的数值模型。在其他纳米结构中,他们将模拟具有光学响应的​​基于 DNA 的自组装纳米晶体——也称为 DNA 折纸技术。

“我们将模拟这些复杂的纳米结构和纳米设备在不同条件下的行为以及它们如何作为设备发挥作用。我们可以设计和可视化这些模型,然后我们可以将我们的数据提供给实验人员,希望我们的理论能够很好地发挥作用,”Govorov说过。

他们计划的合作包括:

光子学、光电子学和太阳能转换的数值模型,包括研究金属纳米结构中的载流子电荷激发(电子电荷)以及热电子生成(光化学)。

使用生物等离子体纳米晶体的手性反应和手性生长,在手性光化学和生物传感方面具有潜在应用。

手性:不要照镜子

戈沃罗夫说,迄今为止他在职业生涯中发现的最有趣的事情之一是“这种纳米结构手性生物组装的新光学特性”。手性意味着图像不能叠加在其镜像上。发现这种现象后,戈沃罗夫现在想要控制和使用它。

Govorov 发现手性纳米晶体与偏振光相互作用,由此产生的光学特性对于光学应用很重要。

手性可以是左螺旋形或右螺旋形;DNA 是右手手性结构的一个例子。在他们的模型中,Govorov 和 Burger 使用基于 DNA 组装技术的模型作为“架构”来构建他们的纳米晶体。Burger 和 Govorov 从事计算纳米科学,而真实世界的 DNA 组装是由 Tim Liedl 教授在慕尼黑制造的,Tim Liedl 教授是这个具有挑战性的领域的世界领导者之一。

柏林研究中的一个项目是“手性的起源。手性是三维的,手性对一切都很重要,对于所有生物分子......分子识别基于手性实体相互配合, ”戈沃罗夫说。“而且我们可以通过构建超级结构——一个纳米晶体——一个纳米晶体——来展示手性是如何产生的,并通过 DNA 控制显示手性何时出现。慕尼黑实验室擅长做这样的 DNA 任务。”

换句话说,他们将模拟由纳米晶体制成的元分子的构造,并观察这种基本手性特性是如何产生和演变的。

热电子:利用能量

戈沃罗夫还因其在光学纳米材料中产生热电子的开创性工作而闻名。在传统金属中,热的高能选举是一种短命的并且会产生寄生热的选举。但是戈沃罗夫希望利用等离子体纳米结构来利用这种能量,其中热电子在特殊空间(热点)中产生,因此可以被提取。

他撰写了两打多篇关于热电子动力学的论文,热电子动力学可以引发对光伏很重要的化学反应。他并没有停止发展理论。他正在与包括阿贡国家实验室在内的领先实验小组合作,研究从等离子体热点产生热电子。他们在《自然纳米技术》上发表了一篇关于该主题的相关论文。他在阿贡的长期合作者是纳米材料中心副主任 Gary Wiederrecht 博士。

据信,这些热点出现在无法组装在一起的纳米晶体之间的空间或裂缝中。

手性和热电子理论结合的地方

这两个组成部分——手性和热电子——在柏林研究中结合在一起,合作者将“计算具有复杂形状的复杂纳米结构,需要高精度计算的设备。柏林小组是此类计算领域的佼佼者之一,”戈沃罗夫说过。

然后他们将模拟这些手性等离子体结构如何反射光或产生热电子。

这项合作最近发表了一篇新出版物《Nature Communications中 DNA 组装等离子体链中的长程和短程手性相互作用》,其中作者识别并实施了各种耦合实体——手性和非手性——以证明手性转移距离接近 100纳米。这种耦合是通过位于一对金纳米棒之间的非手性纳米球实现的,这些金纳米棒相距很远,但使用 DNA 折纸以手性方式排列。

这种转移距离对于分子来说是前所未有的,但通过等离激元纳米晶体与 DNA 组装相结合,它们成为可能。上述在Nature Communications上发表的文章只是慕尼黑大学、Zuse Berlin 和 OHIO 之间成功合作的一个例子。他们的另一项合作成果是手性等离子体纳米晶体中产生的热电子作为表面光化学和手性生长的机制(在新窗口中打开),最近发表在领先的化学期刊 JACS 上。

俄亥俄州的一个国际协作小组

俄亥俄大学的理论小组具有高度的国际化和协作性。该小组资金充足,每年生产约 20 篇论文。他们的研究最近获得了一项关于光学元尾迹的新专利。

柏林 Zuse 学院的 MATH+ 杰出访问学者奖还包括学生交流计划。Eva Yazmin Santiago Santos的第一次访问(在新窗口中打开),俄亥俄州的物理学博士生,计划于 2022 年 2 月入学。

Oscar Avalos Ovando博士后研究员,获得博士学位。2019 年在俄亥俄州与Sergio Ulloa 博士的小组一起获得物理学博士学位,由另一项合作资助,即 BSF 美国-以色列基金会的赠款。Govorov 集团还获得了国家资助机构的多项赠款。

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