Tesis doctoral de Jon Shon Donner
En las últimas décadas, la óptica ha sido esencial en muchas aplicaciones en la sociedad moderna. La nano-óptica, que estudia el comportamiento de la luz a escala nanométrica, promete tener el mismo impacto. Sin embargo, cuando se utilizan elementos ópticos tradicionales como espejos y lentes para controlar la propagación de la luz, existe un límite fundamental en la localización del campo electromagnético que puede a priori impedir la posibilidad de utilizar la óptica en la escala nanométrica. Una manera de mejorar el confinamiento de las ondas electromagnéticas es acoplándolas con materiales que tienen una alta permitividad dieléctrica. En este contexto, se ha dedicado un interés particular en las nanoestructuras metálicas compuestas de oro. En este caso, la interacción puede llevar a una oscilación coherente y colectiva de los electrones del metal, la cual es conocida como el plasmón de superficie (ps). Esta interacción conlleva a un aumento tanto de la absorción como la dispersión de la luz. un efecto inherente en dichos sistemas es la inevitable amortiguación del ps. Esto causa la disipación interna por efecto joule, la cual resulta en la generación de calor. A pesar que este fenómeno es considerado como una desventaja en muchas aplicaciones en plasmónica, estudios recientes han demostrado la promesa de la generación de calor en la nanoescala. Esta estrategia está en la base de un campo llamado termo-plasmónica. Controlar, explotar y monitorizar el calentamiento plasmónico es el tema de mi tesis doctoral. en el primer capítulo de la tesis se describe el efecto joule inducido en nanopartículas plasmónicas. Después, este concepto es utilizado para desarrollar aplicaciones físicas y biológicas que dependen de la habilidad de controlar la temperatura en la nanoescala para perturbar el ambiente local. una aplicación física consistiendo de un lente fototérmico basado en el calentamiento plasmónico y con afinación rápida está descrito en el tercer capítulo. Para este fin, desarrollamos un modelo para predecir el comportamiento del lente. A continuación, se realizó la caracterización experimental de un lente termal. Finalmente, mostramos que dicho sistema puede ser utilizado para la variación local rápida y precisa del plano focal. en el cuarto capítulo describo otra aplicación que utilizala generación de calor a la nanoescala para modificar e incluso controlar el flujo de un fluido en un sistema microfluidico. Para ello, hemos calculado numéricamente la convección de un fluido que es inducida por el calentamiento plasmónico en la micro y nanoescala. Luego, se presenta una implementación experimental de una bomba microfluidica basada en el calentamiento plasmónico. las aplicaciones mencionadas anteriormente dependen de la conversión opto-térmica eficiente en nanopartículas de oro para generar fuentes de calor locales. Una ventaja del oro es que no es tóxico, permitiendo así aplicaciones de la termo-plasmónica en sistemas biológicos. con esto en mente, hemos desarrollado una herramienta que permite medir la temperatura en la nanoescala en sistemas biológicos. Esto se lleva a cabo al monitorizar la anisotropía de la polarización de la fluorescencia (apf) de una molécula fluorescente. Específicamente, en el quinto capítulo mapeamos la temperatura celular in-vitro monitorizando el apf de la proteína fluorescente verde (gfp). Aplicamos este método para medir la temperatura generada por el calentamiento fototérmico de nanobarras de oro dentro y fuera de células. Consecuentemente, extendemos esta técnica y realizamos los primeros mapas de temperatura intracelular in vivo. En el sexto capítulo demostramos este método en gusanos que contienen neuronas que expresan la gfp. En ambos casos demostramos que el método permite resolución espacial en el límite de difracción, buena precisión de temperatura y una lectura rápida, todo esto junto con una alta biocompatibilidad.
Datos académicos de la tesis doctoral «Thermo-plasmonics: controlling and probing temperature on the nanometer scale«
- Título de la tesis: Thermo-plasmonics: controlling and probing temperature on the nanometer scale
- Autor: Jon Shon Donner
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 30/05/2014
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Roman Quidant
- Tribunal
- Presidente del tribunal: alexander Govorov
- daniel Jaque garcia (vocal)
- (vocal)
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