Sensores plasmónicos a alta presión: propiedades ópticas y mecánicas de nanopartículas de oro bajo condiciones extremas
- Autores: Camino Martín Sánchez
- Directores de la Tesis: Fernando Rodríguez González (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- High-pressure plasmonic sensing: optical and mechanical properties of gold nanoparticles under extreme conditions
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alfonso Enrique San Miguel Fuster (presid.), Marta Norah Sanz Ortiz (secret.), Juan Ángel Sans Tresserras (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología por la Universidad de Cantabria
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: UCrea
- Resumen
- español
Esta Tesis tiene como objetivo desentrañar el comportamiento plasmónico y mecánico de las nanopartículas de oro a alta presión y explorar sus capacidades de detección en condiciones extremas. Para lograr este objetivo, hemos utilizado varios sistemas de nanopartículas con diferente forma (nanoesferas y nanobarras) y tamaño, dispersadas coloidalmente en solventes, tales como mezclas de metanol-etanol o agua. Este trabajo ha requerido el uso de una amplia variedad de técnicas experimentales para la caracterización estructural y óptica de las nanopartículas metálicas. Entre estas técnicas se incluyen un refinado método de síntesis de nanopartículas con alta monodispersidad, la difracción de rayos x y la absorción óptica, tanto a presión ambiente como a alta presión.
Hemos desarrollado un modelo que reproduce fielmente la respuesta óptica ante un campo electromagnético (dominio óptico) de nanobarras de oro inmersas en un medio dieléctrico a presión ambiente. Un resultado destacable es la influencia del surfactante y el solvente en el espectro de extinción de las nanobarras de oro y en su constante dieléctrica.
Hemos estudiado los desplazamientos espectrales inducidos por presión de la resonancia plasmónica superficial de nanobarras y nanoesferas de oro. Este estudio pone de manifiesto que aplicar presión a los coloides de nanopartículas de oro tiene dos efectos principales: la compresión de los electrones de conducción y el aumento de la densidad del disolvente. Estos efectos pueden describirse en base a la teoría de Gans. Un hallazgo relevante es el uso de los desplazamientos espectrales con la presión de la resonancia plasmónica para obtener información sobre la dureza de las nanopartículas de oro. Además, desarrollamos un valioso modelo semiempírico que nos permite determinar el índice de refracción del solvente en el que se encuentran inmersas las nanopartículas, así como su dependencia con la presión, tanto en regímenes hidrostáticos como no hidrostáticos.
Un objetivo importante a conseguir era el desarrollo de una metodología experimental que permitiera obtener información fiable sobre la ecuación de estado del oro en la nanoescala, mediante la difracción de rayos x. Aquí, proponemos un nuevo enfoque basado en el uso de dispersiones coloidales de nanopartículas para garantizar la aplicación de presión sobre nanopartículas individuales, evitando así la formación de agregados o aleaciones, ya que estos efectos enmascarar el comportamiento mecánico real del oro en la nanoescala. Hemos combinado la difracción de rayos x con la dispersión de rayos x a bajo ángulo para comprobar in situ la estabilidad de la solución, y la microscopía electrónica de transmisión para explorar las nanopartículas después de la aplicación de presión. Siguiendo esta metodología, encontramos que las nanopartículas de oro son ligeramente más densas (0.3%) y más duras (2%) que el oro bulk.
- English
This Thesis aims to unveil the plasmonic and mechanical behavior of gold nanoparticles at high pressure, and to explore its sensing capabilities under extreme conditions. To achieve this goal, we have used several systems of nanoparticles with different shape (nanospheres and nanorods) and size, colloidally dispersed in solvents such as methanol-ethanol mixtures or water. Analyzing the spectroscopic behavior of nanoparticles under pressure, we have shown that the surface plasmon resonance shifts with pressure allow us to obtain mechanical and optical information about the nanoparticles and the medium that surrounds them. In particular, we demonstrate that we can obtain the bulk modulus of gold nanoparticles and determine the refractive index of the solvent in which they are immersed, as well as its pressure dependence. Finally, we developed a new experimental methodology that allows us to obtain reliable information on the gold equation of state at the nanoscale. This methodology is based on the combination of different experimental techniques such as x-ray diffraction, small-angle x-ray scattering, and transmission electron microscopy.
- español
