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Optically induced forces on anisotropic plasmonic nanoparticles
Optically induced forces on anisotropic plasmonic nanoparticles
Die Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 2018 für Arthur Ashkins bahnbrechende Arbeit über optische Pinzetten hat dem Forschungsfeld der optischen Manipulation zu breiter Anerkennung verholfen. Im Laufe der letzten vier Jahrzehnte hat dieses Forschungsgebiet Anwendungen auf vielen Gebieten ermöglicht. Die Bandbreite erstreckt sich dabei von Einzelzellmikroskopie bis zu Nanolithographie. In jüngerer Vergangenheit war vor allem die Manipulation plasmonischer Nanopartikel von besonderem Interesse, da diese als optische Sensoren auf der Nanoskala verwendet werden können. Das genaue Verhalten derartiger Partikel ist jedoch ein komplexes Zusammenspiel vieler Parameter, die von der Geometrie und Beschaffenheit der Partikel und deren umgebendes Medium sowie der Laserstrahlung zur resonanten Anregung der plasmonischen Eigenschaften abhängen. Der Fokus dieser Arbeit liegt insbesondere auf nichtsphärischen, also anisotropen, Goldnanopartikeln und dem Einfluss dieser Anisotropie auf die resultierenden optisch-induzierten Kräfte. Zunächst wurden optische Streukräfte dazu benutzt, einzelne plasmonische Nanopartikel nach ihrer Form und damit auch ihrer Plasmonenresonanz zu sortieren, indem sie auf ein Substrat gedruckt wurden. Dabei wurde für jede Partikelspezies ein Laser verwendet, der resonant zur jeweiligen Plasmonenresonanz war. Dieser neuentwickelte Ansatz nutzt die Abhängigkeit der Plasmonenresonanz und damit auch der Streukräfte von der Form des Partikels aus. Als erste Anwendung wurde die Dynamik der Nanopartikelsynthese durch die Reduktion von Au(III) durch Natriumsulfid aufgeklärt, die Gegenstand einer langanhaltenden Debatte in der Literatur war. Es war möglich einen spektralen Peak im Nahinfrarotbereich der Bildung dreieckiger Nanopartikel zuzuschreiben, was im Gegensatz zu früheren Studien steht, die dies Kern-Schale Partikel oder Partikelaggregate zurückgeführt hatten. Durch Erhöhung der Laserintensität nimmt plasmonisches Heizen derart zu, dass das Deformieren von Partikeln möglich wird. Normalerweise verformen sich anisotrope Partikel wie Nanostäbe zu sphärischen Partikeln um ihre Oberflächenenergie zu verringern. In dieser Arbeit wurde jedoch gezeigt, dass das Anlegen sehr starker Laserintensitäten zu einer Aufspaltung des Nanostäbchens in ein Dimer aus zwei sphärischen Nanopartikeln gleicher Größe führt. Mittels einer Analyse der optischen Eigenschaften konnte ein Partikelabstand im Subnanometerbereich abgeschätzt werden. Durch computergestützte Modellierung wurde ein Model entwickelt, das die Aufspaltung einer Kombination von oberflächenspannungsinduzierter Deformation sowie inhomogen wirkender optischer und hydrodynamischer Kräfte zuschreibt. All diese Beiträge sind optisch induziert. Die Herstellung von Dimeren mit derart kleinen Partikelabständen ist üblicherweise herausfordernd. Daher kann dieser neu entwickelte Ansatz in Zukunft für Anwendungen wie oberflächenverstärkte Raman Streuung oder das induzieren chemischer Reaktionen mittels heißer Elektronen Bedeutung erlangen. Dehnt man die Anisotropie der Partikel auf die Materialzusammensetzung aus, indem man plasmonisch-dielektrische Janus Nanopartikel erzeugt, tritt eine weitere Kraft unter Laserbestrahlung, Thermophorese, auf. Wird die Laserintensität erhöht wird dadurch der Partikel in vertikaler Richtung aus der optischen Ebene gedrückt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde dieses Verhalten zum ersten Mal für Nanopartikel berichtet. Dies wurde angewandt, um DNS-funktionalisierte Janus Nanopartikel auf lebende Zellen zu heben und anschließend durch die Zellmembran zu injizieren. Es wurde gezeigt, dass die DNS diesen Vorgang übersteht, da die Wärme ausschließlich an der plasmonischen Spitze des Partikels erzeugt wird. Dies bereitet den Weg für biotechnische Anwendungen wie Zelltransfektion. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Vielzahl an Kräften bei, die auf plasmonische Nanopartikel in einem fokussierten Laserstrahl wirken. Insgesamt konnten für alle Grundlagenexperimente potentielle Anwendungen gezeigt werden, was das große Potential dieses Forschungsfeldes für zukünftige Technologien demonstriert., With the award of the noble prize in physics in 2018 for Arthur Ashkin’s seminal work on optical tweezers, great honor has been brought to the field of optical manipulation. Over the past four decades, this field has developed applications in numerous fields ranging from single cell microscopy to nanolithography. Recently, the manipulation of plasmonic nanoparticles has been the subject of particular interest, since they offer an all optical handle at the nanoscale. However, the exact behavior of such particles is a complex interplay of many parameters of the the incident laser light, the particle itself and its surrounding. This thesis puts its focus especially on nonspherical, hence anisotropic, gold nanoparticles and the impact of this anisotropism on the optically induced forces. First, optical scattering forces were used to sort single plasmonic nanoparticles according to their shape and therefore plasmon resonance by printing them on a substrate using a laser tuned to this particular resonance. This newly developed approach makes use of the shape dependence of the plasmon resonance and therefore the optical force excerted on the particles. It was first applied to shed light on the temporal dynamics of the nanoparticle synthesis via the reduction of Au(III) with sodium sulfide that has been a longstanding matter of debate. It was possible to assign a spectral near infrared peak to the formation of triangular nanoparticles, which is in contrast to previous reports that claimed core-shell particles or particle clusters. When increasing the incident laser intensity, plasmonic heating contributes in a way that particle deformation becomes possible. Anisotropic particles such as nanorods usually converge to spherical particles upon heating to decrease surface energy. However, here it was found that applying very strong laser power densities on single gold nanorods lead to a split-up of the particle and the formation of a dimer consisting of two equally sized spheres. Optical analysis revealed the particles to have subnanometer gap distances. A model was conceived through computational modelling attributing the split-up to a combination of surface tension driven deformation, imhomogeneous optical forces and hydrodynamic forces. All those forces are in the end optically induced. Dimers with such small gap distances are usually challenging to produce. Therefore, this newly developed approach could be important for applications such as surface enhanced Raman scattering or hot electron driven chemical reactions. Upon extending the anisotropy of the particles to their material composition thus creating plasmonic dielectric Janus nanoparticles, another force, namely thermophoresis, occurs when increasing the laser intensity thus pushing the particle out of the focal plane in vertical direction. Here, this behavior was found for the first time for a particle on the nanoscale. This was applied by lifting DNA functionalized Janus nanoparticles on top of living cells and injecting them through the cell membrane. It was shown that the DNA survives this treatment as the heat generation is concentrated at the plasmonic side of the particle, thus paving the way for biotechnical applications such as transfection. This work helps to further understand the multitude of forces acting on plasmonic nanoparticles when subject to a focused laser beam. Overall, all fundamental experiments could be brought to applications, hence showcasing the great potential of the field for future technology.
Nanophysics, Plasmonics, Gold Nanoparticles, Plasmonic Dimer formation, DNA cell injection, Laser physics
Maier, Christoph
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Maier, Christoph (2021): Optically induced forces on anisotropic plasmonic nanoparticles. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 2018 für Arthur Ashkins bahnbrechende Arbeit über optische Pinzetten hat dem Forschungsfeld der optischen Manipulation zu breiter Anerkennung verholfen. Im Laufe der letzten vier Jahrzehnte hat dieses Forschungsgebiet Anwendungen auf vielen Gebieten ermöglicht. Die Bandbreite erstreckt sich dabei von Einzelzellmikroskopie bis zu Nanolithographie. In jüngerer Vergangenheit war vor allem die Manipulation plasmonischer Nanopartikel von besonderem Interesse, da diese als optische Sensoren auf der Nanoskala verwendet werden können. Das genaue Verhalten derartiger Partikel ist jedoch ein komplexes Zusammenspiel vieler Parameter, die von der Geometrie und Beschaffenheit der Partikel und deren umgebendes Medium sowie der Laserstrahlung zur resonanten Anregung der plasmonischen Eigenschaften abhängen. Der Fokus dieser Arbeit liegt insbesondere auf nichtsphärischen, also anisotropen, Goldnanopartikeln und dem Einfluss dieser Anisotropie auf die resultierenden optisch-induzierten Kräfte. Zunächst wurden optische Streukräfte dazu benutzt, einzelne plasmonische Nanopartikel nach ihrer Form und damit auch ihrer Plasmonenresonanz zu sortieren, indem sie auf ein Substrat gedruckt wurden. Dabei wurde für jede Partikelspezies ein Laser verwendet, der resonant zur jeweiligen Plasmonenresonanz war. Dieser neuentwickelte Ansatz nutzt die Abhängigkeit der Plasmonenresonanz und damit auch der Streukräfte von der Form des Partikels aus. Als erste Anwendung wurde die Dynamik der Nanopartikelsynthese durch die Reduktion von Au(III) durch Natriumsulfid aufgeklärt, die Gegenstand einer langanhaltenden Debatte in der Literatur war. Es war möglich einen spektralen Peak im Nahinfrarotbereich der Bildung dreieckiger Nanopartikel zuzuschreiben, was im Gegensatz zu früheren Studien steht, die dies Kern-Schale Partikel oder Partikelaggregate zurückgeführt hatten. Durch Erhöhung der Laserintensität nimmt plasmonisches Heizen derart zu, dass das Deformieren von Partikeln möglich wird. Normalerweise verformen sich anisotrope Partikel wie Nanostäbe zu sphärischen Partikeln um ihre Oberflächenenergie zu verringern. In dieser Arbeit wurde jedoch gezeigt, dass das Anlegen sehr starker Laserintensitäten zu einer Aufspaltung des Nanostäbchens in ein Dimer aus zwei sphärischen Nanopartikeln gleicher Größe führt. Mittels einer Analyse der optischen Eigenschaften konnte ein Partikelabstand im Subnanometerbereich abgeschätzt werden. Durch computergestützte Modellierung wurde ein Model entwickelt, das die Aufspaltung einer Kombination von oberflächenspannungsinduzierter Deformation sowie inhomogen wirkender optischer und hydrodynamischer Kräfte zuschreibt. All diese Beiträge sind optisch induziert. Die Herstellung von Dimeren mit derart kleinen Partikelabständen ist üblicherweise herausfordernd. Daher kann dieser neu entwickelte Ansatz in Zukunft für Anwendungen wie oberflächenverstärkte Raman Streuung oder das induzieren chemischer Reaktionen mittels heißer Elektronen Bedeutung erlangen. Dehnt man die Anisotropie der Partikel auf die Materialzusammensetzung aus, indem man plasmonisch-dielektrische Janus Nanopartikel erzeugt, tritt eine weitere Kraft unter Laserbestrahlung, Thermophorese, auf. Wird die Laserintensität erhöht wird dadurch der Partikel in vertikaler Richtung aus der optischen Ebene gedrückt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde dieses Verhalten zum ersten Mal für Nanopartikel berichtet. Dies wurde angewandt, um DNS-funktionalisierte Janus Nanopartikel auf lebende Zellen zu heben und anschließend durch die Zellmembran zu injizieren. Es wurde gezeigt, dass die DNS diesen Vorgang übersteht, da die Wärme ausschließlich an der plasmonischen Spitze des Partikels erzeugt wird. Dies bereitet den Weg für biotechnische Anwendungen wie Zelltransfektion. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Vielzahl an Kräften bei, die auf plasmonische Nanopartikel in einem fokussierten Laserstrahl wirken. Insgesamt konnten für alle Grundlagenexperimente potentielle Anwendungen gezeigt werden, was das große Potential dieses Forschungsfeldes für zukünftige Technologien demonstriert.

Abstract

With the award of the noble prize in physics in 2018 for Arthur Ashkin’s seminal work on optical tweezers, great honor has been brought to the field of optical manipulation. Over the past four decades, this field has developed applications in numerous fields ranging from single cell microscopy to nanolithography. Recently, the manipulation of plasmonic nanoparticles has been the subject of particular interest, since they offer an all optical handle at the nanoscale. However, the exact behavior of such particles is a complex interplay of many parameters of the the incident laser light, the particle itself and its surrounding. This thesis puts its focus especially on nonspherical, hence anisotropic, gold nanoparticles and the impact of this anisotropism on the optically induced forces. First, optical scattering forces were used to sort single plasmonic nanoparticles according to their shape and therefore plasmon resonance by printing them on a substrate using a laser tuned to this particular resonance. This newly developed approach makes use of the shape dependence of the plasmon resonance and therefore the optical force excerted on the particles. It was first applied to shed light on the temporal dynamics of the nanoparticle synthesis via the reduction of Au(III) with sodium sulfide that has been a longstanding matter of debate. It was possible to assign a spectral near infrared peak to the formation of triangular nanoparticles, which is in contrast to previous reports that claimed core-shell particles or particle clusters. When increasing the incident laser intensity, plasmonic heating contributes in a way that particle deformation becomes possible. Anisotropic particles such as nanorods usually converge to spherical particles upon heating to decrease surface energy. However, here it was found that applying very strong laser power densities on single gold nanorods lead to a split-up of the particle and the formation of a dimer consisting of two equally sized spheres. Optical analysis revealed the particles to have subnanometer gap distances. A model was conceived through computational modelling attributing the split-up to a combination of surface tension driven deformation, imhomogeneous optical forces and hydrodynamic forces. All those forces are in the end optically induced. Dimers with such small gap distances are usually challenging to produce. Therefore, this newly developed approach could be important for applications such as surface enhanced Raman scattering or hot electron driven chemical reactions. Upon extending the anisotropy of the particles to their material composition thus creating plasmonic dielectric Janus nanoparticles, another force, namely thermophoresis, occurs when increasing the laser intensity thus pushing the particle out of the focal plane in vertical direction. Here, this behavior was found for the first time for a particle on the nanoscale. This was applied by lifting DNA functionalized Janus nanoparticles on top of living cells and injecting them through the cell membrane. It was shown that the DNA survives this treatment as the heat generation is concentrated at the plasmonic side of the particle, thus paving the way for biotechnical applications such as transfection. This work helps to further understand the multitude of forces acting on plasmonic nanoparticles when subject to a focused laser beam. Overall, all fundamental experiments could be brought to applications, hence showcasing the great potential of the field for future technology.