Kultananosauvat : Historia, ominaisuudet ja valmistus

Abstract

Kultananosauvat ovat mitoiltaan 1–100 nm:n kokoisia sauvamaisia kultapartikkeleita. Ne poikkeavat varsinkin optisilta ominaisuuksiltaan makrokoon kullasta. Nanokoon kultaa on käytetty muun muassa väriaineena jo ennen ajanlaskun alkua ja kullan pelkistämistä kultakloridista nanokoon partikkeleiksi on tutkittu 1800-luvun puolivälistä saakka. Kultananosauvoilla on nykytekniikassa – ja varsinkin tulevaisuudessa – lukuisia käyttökohteita muun muassa lääketieteen, optoelektroniikan ja biotekniikan aloilla. Kuitenkin, ennen kuin sauvojen karakterisia ominaisuuksia päästään täysin hyödyntämään, tulee löytää luotettava ja toistettavissa oleva tapa valmistaa niitä. Kultananosauvoja on valmistettu ja tutkittu kolmen viimeisen vuosikymmenen ajan, mutta ongelmana on valmistustavasta riippuen joko lopputuotteen laadun epätasaisuus tai prosessin erittäin suuri herkkyys lämpötilanvaihteluun ja epäpuhtauksiin.

Tämä työ jakautuu kahteen osioon. Ensimmäisessä osassa esitellään kultananosauvojen historiaa, käyttökohteita ja eri valmistusmenetelmiä sekä käsitellään kultananosauvojen optisia ominaisuuksia. Ensimmäiset kultananosauvat valmistettiin 1990-luvulla ja valmistusmenetelmien sekä sauvojen kasvun yksityiskohtien tutkiminen on jatkunut tähän päivään asti. Kaikki kultananosauvojen kasvun mekanismit eivät ole vielä selvillä. Kultananosauvoja voidaan valmistaa sähkökemiallisesti, huokosmenetelmällä tai siemenkeskeisellä menetelmällä. Näistä yleisimmin käytössä on täysin kemiallinen siemenkeskeinen menetelmä, johon tässä työssä keskitytään. Huokos- ja sähkökemiallinen menetelmä eroavat toisistaan siten, että huokosmenetelmä käyttää huokoista aluminioksidilevyä sauvojen kasvualustana, kun taas sähkökemiallisessa menetelmässä kasvua ohjataan pintastabilaattoreilla. Molemmissa menetelmissä sauvat kasvatetaan elektrolyyttisesti. Siemenkeskeisessä menetelmässä pelkistetään kultakloridista vahvalla pelkistimellä kultasiemeniä, joista kasvatetaan pintastabilaattorin, heikon pelkistimen ja kultakloridin avulla kultananosauvoja. Optisesti kultananosauvat ovat erityisiä, koska niiden pinnalla tapahtuu vapaiden elektronien liikettä pituus- ja poikittaissuunnassa. Näistä plasmonivärähtelyistä aiheutuu absorptiospektriin vastaavasti kaksi piikkiä. Kontrolloimalla sauvojen pituus-leveyssuhdetta voidaan määrätä pituussuuntaisesta värähtelystä aiheutuvan piikin paikka.

Toinen osa oli kokeellinen, jossa pyrittiin valmistamaan sauvoja, joiden absorptiospektrin maksimi sijoittuu yli 950 nm aallonpituudelle. Valmistus suoritettiin laboratorio-oloissa pienissä erissä siemenpohjaisella menetelmällä, ja tuotteiden tutkimiseen käytettiin UV-Vis-spektrofotometria. Tässä työssä saatiin sauvoja valmistettua, mutta spektrimaksimi oli parhaimmillaan 803 nanometrissä, joka jäi tavoitteesta. Suurin osa synteeseistä tuotti sauvoja, joiden spektripiikit sijoittuivat 650:n ja 800:n nanometrin välille. Synteeseistä oli kuitenkin odotettavissa sauvoja, joiden spektrimaksimi olisi reilusti yli 1000:ssa nanometrissä. Lämpötilan kontrolloinnissa oli ongelmia, joka on mahdollisesti syynä sauvojen odottamattoman alhaiselle spektrimaksimille. On myös mahdollista, että huolellisuudesta huolimatta synteesiin on päässyt epäpuhtauksia, jotka ovat vaikuttaneet sauvojen kasvuun. Työssä saatiin kuitenkin valmistettua kultananosauvoja, mikä on itsessään ollut haastavaa.