Literatura académica sobre el tema "Plasmomechanics"

In this contribution, a numerical study of the optical properties of closely-packed gold nanorods was performed. The studied nano-objects are experimentally grown on a tilted polydimethylsiloxane (PDMS) substrate by using physical vapor deposition (PVD). This method creates nanorods tilted to a certain angle with respect to the substrate normal. This geometry allows exciting both transverse and longitudinal modes of the rods. As demonstrated in a previous experimental work, such PVD-grown nano-objects show promising possibilities both as strain gauges or strain-tunable metamaterials if fabricated on a stretchable dielectric substrate. This numerical study is based on experimental data from previous work and pushes further the subject by approaching an optimized nano-structure allowing better strain-sensitivity (particularly by changing the auto-organization of the said nanorods). Full Text: PDF ReferencesJ.W.M. Chon, C. Bullen, P. Zijlstra, M. Gu, "Spectral encoding on Gold Nanorods Doped in a Silica Sol?Gel Matrix and Its Application to High-Density Optical Data Storage", Adv. Funct. Mater. 17, 875 (2007). CrossRef C.-C. Chen, Y.-P. Lin, C.-W. Wang, H.-C. Tzeng, C.-H. Wu, Y.-C. Chen, C.-P. Chen, L.-C. Chen, Y.-C. Wu, "DNA?Gold Nanorod Conjugates for Remote Control of Localized Gene Expression by near Infrared Irradiation", J. Am. Chem. Soc. 128, 3709 (2006). CrossRef J.N. Anker, W.P. Hall, O. Lyandres, N.C. Shah, J. Zhao, R.P. Van Duyne, "Biosensing with plasmonic nanosensors", Nat. Mater 7, 442 (2008). CrossRef B. Sepulveda, P.C. Angelome, L.M. Lechuga, L.M. Liz-Marzan?, "LSPR-based nanobiosensors", Nano Today 4, 244 (2009). CrossRef A. Haes, R.P. Van Duyne, "A Nanoscale Optical Biosensor: Sensitivity and Selectivity of an Approach Based on the Localized Surface Plasmon Resonance Spectroscopy of Triangular Silver Nanoparticles", J. Am. Chem. Soc. 124, 10596 (2002). CrossRef J.C. Riboh, A.J. Haes, A.D. McFarland, C.R. Yonzon, R.P. Van Duyne, "A Nanoscale Optical Biosensor: Real-Time Immunoassay in Physiological Buffer Enabled by Improved Nanoparticle Adhesion", J. Phys. Chem. B 107, 1772 (2003). CrossRef C.R. Yonzon, E. Jeoung, S. Zou, G.C. Schatz, M. Mrksich, R.P. Van Duyne, "A Comparative Analysis of Localized and Propagating Surface Plasmon Resonance Sensors: The Binding of Concanavalin A to a Monosaccharide Functionalized Self-Assembled Monolayer", J. Am. Chem. Soc. 126, 12669 (2004). CrossRef A.J. Haes, L. Chang, W.L. Klein, R.P. Van Duyne, "Detection of a Biomarker for Alzheimer's Disease from Synthetic and Clinical Samples Using a Nanoscale Optical Biosensor", J. Am. Chem. Soc. 127, 2264 (2005). CrossRef R. Caputo, G. Palermo, M.Infusino L. De Sio, "Liquid Crystals as an Active Medium: Novel Possibilities in Plasmonics", Nanospectroscopy 1, 40 (2015). CrossRef T. Maurer, J. Marae-Djouda, U. Cataldi, A. Gontier, G. Montay, Y. Madi, B. Panicaud, D. Macias, P.-M. Adam, G. Lév?que, T. Bürgi, R. Caputo, "The beginnings of plasmomechanics: towards plasmonic strain sensors", Frontiers of Materials Science 9, 170 (2015). CrossRef X. Niu, S. P. Stagon, H. Huang, J.K. Baldwin, A. Misra, "Smallest Metallic Nanorods Using Physical Vapor Deposition", Phys. Rev. Lett. 110 136102 (2013). CrossRef Lumerical Solutions, Inc. DirectLink P.K. Jain, W. Huang, M.A.El-Sayed, "On the Universal Scaling Behavior of the Distance Decay of Plasmon Coupling in Metal Nanoparticle Pairs: A Plasmon Ruler Equation", Nanoletters 7, 2080 (2007). CrossRef P.K. Jain, M.A. El-Sayed, "Plasmonic coupling in noble metal nanostructures", Chem. Phys. Letters 487, 153 (2010). CrossRef

We report the mechanical control of plasmonic coupling between gold nanoparticles (GNPs) coated onto a large area wrinkled surface of an elastomeric template. Self-assembly and bottom-up procedures, were used to fabricate the sample and to increase the size of GNPs by exploiting the reduction of HAuCl4 with hydroxylamine. The elastic properties of template, the increase of nanostructure size joined with the particular grating configuration of the surface have been exploited to trigger and handle the coupling processes between the nanoparticles. Full Text: PDF ReferencesG. Mie, "Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen", Ann. Phys. 25, 377 (1908) CrossRef U. Kreibig and M. Vollmer, Optical properties of metal cluster, Berlin 1995 CrossRef S. A. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications, Springer, New York, 2007 CrossRef L. A. Lane, X. Qian, and S. Nie, "SERS Nanoparticles in Medicine: From Label-Free Detection to Spectroscopic Tagging", Chem. 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Buergi, and R. Caputo, "The beginnings of plasmomechanics: towards plasmonic strain sensors", Front. Mater. Sci. 9(2) (2015) CrossRef J. N. Anker W. P. Hall, O. Lyandres, N. C. Shah, J. Zhao and R. P. Van Duyne, "Biosensing with plasmonic nanosensors", Nature Materials 7, 442 - 453 (2008) CrossRef M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers,and R. G. Nuzzo, "Nanostructured Plasmonic Sensors", Chem. Rev. 108, 494-521 (2008) CrossRef P. K. Jain , M. A. El-Sayed, "Plasmonic coupling in noble metal nanostructures", Chemical Physics Letters 487, 153-164 (2010) CrossRef P. K. Jain, W. Huang and M. A. El-Sayed, "On the Universal Scaling Behavior of the Distance Decay of Plasmon Coupling in Metal Nanoparticle Pairs: A Plasmon Ruler Equation", Nano Letters 7, 2080-2088 (2007) CrossRef U. Cataldi, R. Caputo, Y. Kurylyak, G. Klein, M. Chekini, C. Umeton and T. 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Durant l’última dècada, els materials intel·ligents han emergit com a una tendència fascinant en la ciència de materials. En aquest àmbit, els materials optomecànics tous són especialment interessants per desenvolupar dispositius de sensat i actuació innovadors gràcies a la naturalesa inalàmbrica dels sistemes òptics i la possibilitat de ser combinada amb altres tipus d’estimulació. En particular, la inclusió de nanopartícules o nanoestructures plasmòniques en substrats polimèrics tous comporta possibilitats interessants, com les característiques òptiques fàcils de modificar dels materials plasmonics i la gran elasticitat i robustesa dels materials tous. Aquesta nova classe de materials és referida en aquesta tesi com a metamaterials plasmomecànics tous. Tot i així, aquest particular camp d’estudi es relativament recent. Per aquest motiu, aquesta tesi està dedicada al desenvolupament de nous metamaterials plasmomecànics tous, portant a terme l’estudi detallat de les seves propietats òptiques i mecàniques i el seu disseny per a l’ús en aplicacions pràctiques en l’àmbit del sensat i l’actuació. Específicament, les dificultats d’implementar absorbents de llum en ampla de banda eficients en substrats flexibles o elàstics són abordades amb el desenvolupament d’un nou metamaterial basat en una capa de ferro nanoestructurat sobre una capa fina elastomèrica. Aquest nou metamaterial combina les ressonàncies plasmòniques amortides del ferro nanoestructurat amb l’absorció infraroja del PDMS per aconseguir una absorció independent de l’angle i amb un gran ample de banda. Aquest excepcional comportament òptic és explotat per a desenvolupar diversos dispositius foto-termo-mecànics inalàmbrics i innovadors. A través de l’explotació de les propietats magnètiques del ferro, el mateix metamaterial és utilitzat també per a desenvolupar un actuador inalàmbric i multi-funcional. Específicament, el control de la força i direcció de l’actuació magnètica és combinada amb la actuació lumínica, permetent condicions d’operació remotes i versàtils. A més a més, s’ha aconseguit la incorporació de la funcionalitat d’auto-sensat a través d’incloure una estructura de reixa fotònica a la part posterior de l’actuador. La resposta mecànica de l’actuador a qualsevol estímul extern es mostra com a un canvi de coloració i és quantificada en temps real a través de les imatges preses a través d’una càmera convencional. L’actuació remota i multi-estímul del dispositiu, juntament amb les seves capacitats d’auto-sensat estableixen les bases per al desenvolupament de mecanismes per a operacions en robòtica tova en ambients inaccessibles o perillosos. Finalment, s’ha demostrat el desenvolupament de la primera cavitat Fabry-Perot estirable i amplificada plasmònicament per al sensat òptic d’esforç. Aquest nou material consisteix en una matriu de “mitja-closques” d’or plasmonic auto-organitzades, les quals són auto-incrustades dins un substrat elastomèric arrugat. Aquesta morfologia dóna lloc a un comportament òptic poc convencional que pot ser afinat a través de les condicions de fabricació. El material presenta una resposta òptica intensa a l’esforç mecànic, amb sensibilitat similar a altres aproximacions basades en processos de fabricació més complexes. A més a més, presenta gran robustesa i deformabilitat, les quals permet la seva aplicació com a sensor inalàmbric d’esforç en superfícies corbades. En resum, aquesta tesi aborda diferents reptes en el desenvolupament de materials intel·ligents optomecànics tous per a diverses plataformes de sensat i actuació.
Durante la ultima década, los materiales inteligentes han emergido como una tendencia fascinante en la ciencia de materiales. En éste ámbito, los materiales optomecánicos blandos son especialmente interesantes para desarrollar dispositivos de sensado y actuación innovadores gracias a la naturaleza inalámbrica de los sistemas ópticos y la posibilidad de ser combinada con otros tipos de estimulación. En particular, la inclusión de nanopartículas o nanoestructuras plasmónicas en sustratos poliméricos blandos conlleva posibilidades interesantes, como las características ópticas fáciles de modificar de los materiales plasmónicos y la gran elasticidad y robustez de los materiales blandos. Ésta nueva clase de materiales es referida en esta tesis como a metamateriales plasmomecánicos blandos. Aún así, éste particular campo de estudio es relativamente reciente. Por éste motivo, ésta tesis está dedicada al desarrollo de nuevos metamateriales plasmomecánicos blandos, llevando a cabo el estudio detallado de sus propiedades ópticas y mecánicas y su diseño para el uso en aplicaciones prácticas en el ámbito del sensado y la actuación. Específicamente, las dificultades de implementar absorbentes lumínicos de ancho de banda amplio eficientes en sustratos flexibles o elásticos son abordadas con el desarrollo de un nuevo metamaterial basado en una capa de hierro nanoestructurado sobre una capa fina elastomèrica. Éste nuevo metamaterial combina las resonancias plasmónicas amortiguadas del hierro nanoestructurado con la absorción infrarroja del PDMS para conseguir una absorción independiente del ángulo y con un gran ancho de anda. Ése excepcional comportamiento óptico es explotado para desarrollar diferentes dispositivos foto-termo-mecánicos inalámbricos y innovadores. A través de la explotación de las propiedades magnéticas del hierro, el mismo metamaterial es utilizado para desarrollar un actuador inalámbrico y multi-funcional. Específicamente, el control de la fuerza y dirección de la actuación magnética es combinada con la actuación lumínica, permitiendo condiciones de operación remotas y versátiles. Además, se ha conseguido la incorporación de la funcionalidad de auto-sensado a través de incluir una estructura de malla fotónica en la parte posterior del actuador. La respuesta mecánica del actuador a cualquier estímulo externo se muestra como un cambio de coloración y es cuantificada en tiempo real a través de las imágenes tomadas a través de una cámara convencional. La actuación remota y multi-estímulo del dispositivo, juntamente con las capacidades de auto-sensado establecen las bases para el desarrollo de mecanismos para operaciones en robótica blanda en ambientes inaccesibles o peligrosos. Finalmente, se ha demostrado el desarrollo de la primera cavidad Fabry-Perot estirable y amplificada plasmónicamente para el sensado óptico de esfuerzo. Éste nuevo material consiste en una matriz de “media-cáscara” de oro plasmónico auto-organizadas, las cuales son auto-incrustadas dentro de un sustrato elastomérico arrugado. Ésta morfología da lugar a un comportamiento óptico poco convencional que puede ser ajustado a través delas condiciones de fabricación. El material presenta una respuesta óptica intensa al esfuerzo mecánico, con sensibilidad similar a otras aproximaciones basadas en procesos de fabricación más complejas. Además, presenta gran robustez y deformabilidad, las cuales permiten su aplicación como sensor inalámbrico de esfuerzo en superficies curvas. En resumen, ésta tesis aborda diferentes retos en el desarrollo de materiales inteligentes optomecánicos blandos para diversas plataformas de sensado y actuación.
During the last decade, smart materials have emerged as an exciting trend in materials science. Within this scope, soft optomechanical materials are especially appealing for developing innovative sensing and actuation devices due to the wireless nature of optics and the possibility to be combined with other types of stimuli. In particular, the inclusion of plasmonic nanoparticles or nanostructures into soft polymer substrates entail interesting possibilities, such as the easily-tunable optical features of plasmonic materials and large elasticity and robustness of soft materials. This new class of materials are referred as soft plasmomechanical metamaterials. However, this particular field of study is relatively recent. To that end, this thesis is dedicated to the development of new soft plasmomechanical metamaterials, bringing together the detailed study of their optical and mechanical properties with the design for their use into practical applications within the scope of sensing and actuation. Specifically, the difficulties of implementing efficient broadband light absorbers into flexible or stretchable substrates are tackled by the development of a novel metamaterial based on a nanostructured iron layer on a thin elastomer film. This new metamaterial combines the damped plasmonic resonances of the nanostructured iron with the infrared absorption of PDMS to achieve an unprecedented broadband and angle-independent light absorption in flexible materials. This exceptional optical behaviour, together with a large mismatch on the mechanical properties of both materials are exploited to develop diverse innovative untethered photo-thermo-mechanical devices. By exploiting the magnetic properties of iron, the same metamaterial is then used to develop an untethered, multi-functional actuator. Specifically, the control of the magnetic actuation strength and direction is combined with the broadband light actuation, enabling remote and versatile work operation conditions for soft-robotics applications. In addition, the incorporation of a self-sensing functionality is achieved by including a photonic grating structure at the actuator back-side, which provides structural coloration to the actuator. The mechanical response of the actuator to any external stimuli is displayed as a coloration shift and quantified in real-time by the images taken by a conventional camera. The remote and multi-stimuli actuation of the device, together with its self-sensing capabilities set the foundations for soft robotics operations in inaccessible or hazardous environments. Finally, the development of the first stretchable plasmonic-enhanced Fabry-Perot cavity is demonstrated for optical strain sensing. This new material consists on an array of self-assembled plasmonic gold semi-shells which are self-embedded into a wrinkled elastomer matrix. This peculiar morphology gives rise to unconventional optical behaviour that can be tuned by the manufacturing conditions. The material shows strong optical to mechanical strain, with similar sensitivity to other sensing approaches based in more complex fabrication processes. Furthermore, it shows large robustness and deformability, that enables its application as wireless pressure/strain sensing into curved surfaces. Overall, this thesis tackles different challenges in the development of soft smart optomechanical materials for diverse sensing and actuation platforms.
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials

Esta Tesis doctoral se centra en el diseño, estudio y optimización de una metodología controlada para la fabricación de un sensor flexible y plasmo-mecánico integrado con microfluídica, así como en su caracterización óptica y mecánica. Estamos interesados en el uso de este sensor para estudiar las fuerzas de tracción de las células por su papel esencial en las funciones celulares (por ejemplo, adhesión, supervivencia, migración, proliferación y diferenciación) y en el desarrollo de tejidos. Hoy en día, la monitorización y cuantificación de las fuerzas de tracción son uno de los desafíos que enfrenta la biología celular. Utilizamos las ventajas de los materiales poliméricos y las técnicas de nano-fabricación para crear un nuevo prototipo de sensor flexible de bajo coste y a gran escala. El sensor está formado por un arreglo hexagonal de nanopilares de polímero con nanodiscos plasmónicos de oro en su parte superior, ubicados dentro de un canal microfluídico. La fabricación del sensor se basa en las técnicas de réplica de estructuras. El diámetro, la altura y separación de los nanopilares están diseñados para ser copiados utilizando polímeros con un módulo de Young diferente, y de esta forma controlar su flexibilidad. Los discos plasmónicos de oro son depositados sobre los nanopilares utilizando evaporación de metales. Finalmente, la construcción del sensor integrado con microfluídica se basa en una estrategia de sellado permanente. La transducción utiliza la combinación de la flexibilidad mecánica de los nanopilares de polímeros con las propiedades ópticas de los nanodiscos de oro que presentan una resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR). Los resultados obtenidos en esta Tesis sugieren que la combinación de la flexibilidad mecánica de los nanopilares de polímero con las propiedades ópticas de los nanodiscos de oro, permiten la monitorización de los cambios del índice de refracción del medio exterior. Las propiedades mecánicas (por ejemplo, la constante elástica) pueden utilizarse para controlar la estabilidad mecánica de las estructuras de polímero y para imitar las propiedades mecánicas de tejidos blandos o duros. Se llevó a cabo un análisis preliminar de un cultivo celular sobre los nanopilares como una prueba de concepto, para conocer las ventajas y los límites del nuevo sensor diseñado y del sistema de detección óptica. Los resultados mostraron que las células vivas pudieron adherirse e interactuar con los nanodiscos plasmónicos de los nanopilares con diferente rigidez, induciendo cambios detectables en el LSPR. El trabajo en esta Tesis representa un paso significativo hacia la implementación de nuevos sensores más eficaces para ser empleados en estudios básicos de biología celular, que podrían desempeñar un papel importante en la comprensión de procesos biológicos esenciales.
This doctoral Thesis focuses on the design, study, and optimization of the controlled fabrication metodology of a flexible plasmo-mechanical sensor with microfluidics, as well as its optical and mechanical characterization. We are interested in the use of this sensor to study cell traction forces for its essential role in cell functions (e.g., adhesion, survival, migration, proliferation, and differentiation) and tissue development. Nowadays, the monitoring and quantification of those traction forces are one of the challenges faced by cell biology. We take advantage of the use of polymeric materials, and low-cost and large-scale nanofabrication techniques to create the new prototype sensor. The sensor is formed by a hexagonal array of polymeric nanopillars capped with plasmonic gold nanodisks into a microfluidic channel. The main strategy for the fabrication of the sensor is based on replica molding techniques. The diameter, height, and separation of the nanopillars are designed in order to replicate the structures using polymers with different Young’s modulus, and to control their mechanical flexibility.The plasmonic gold nanodisks are deposited on top of the nanopillars by controlled metal evaporation. Finally, the building of the integrated microfluidic sensor is based on a permanent bonding strategy. The transduction is based on combining the mechanical flexibility of the nanopillars with the optical properties of the gold nanodisks that exhibit localized surface plasmon resonances (LSPR). The results suggest that the combination of the mechanical flexibility of the polymer nanopillars with the optical properties of the gold nanodisks allow the monitoring of refractive index changes in the environment. The mechanical properties (e.g., spring constant) can be used to control the mechanical stability of the polymer structures, and also to mimic the mechanical properties of soft or rigid tissues. A preliminary analysis of cell culture onto the nanopillar array was carried out as a proof-of-concept to know the advantages and the limits of the new sensor design and the optical detection system. The results showed that the living cells could adhere and interact with the Au-capped nanopillars with different rigidity, inducing detectable LSPR changes. The work in this Thesis represents a significant step towards the implementation of novel and more efficient sensors for the study of cell biology, which could play a key role in the understanding of essential biological processes.

Basée sur l'exploitation des propriétés optiques des nanoparticules métalliques en combinaison avec des matériaux flexibles, la plasmomécanique a émergé récemment comme un sous-domaine de la nano-optomécanique. Les systèmes plasmomécaniques permettant de mesurer les contraintes mécaniques appliquées aux substrats flexibles à partir de la réponse plasmonique des nanostructures ont attiré beaucoup d'attention dans le domaine de la recherche scientifique en raison de leurs potentielles applications, notamment dans les détecteurs de contraintes.La compréhension de la réponse mécanique microscopique à une déformation macroscopique est un fondement de la plasmomécanique, essentiel pour comprendre la réponse optique des nanostructures et son évolution. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre, par des outils de simulation numérique, les réponses mécanique et plasmonique, et plus précisément comment les distances interparticules évoluent à l'échelle nanométrique lorsqu'une contrainte mécanique macroscopique est imposée et influencent la réponse plasmonique du système. Cela sera étudié à travers des systèmes plasmomécaniques simples composés de nanodimères d'or déposés sur une membrane de PDMS.Un autre défi de ce domaine est la conception de systèmes plasmomécaniques ayant une grande sensibilité aux déformations mécaniques. Cela peut être réalisé par des systèmes plasmoniques supportant des modes de résonance avec des pertes minimales (petite largeur à mi-hauteur). Ainsi, le deuxième objectif de cette thèse est de réaliser des systèmes plasmomécaniques supportant des résonances telles que la résonance de Fano dans un système de bâtonnet-disque et la résonance de surface de réseau dans un réseau 2D d'anneaux d'or, deux résonances connues pour leur profil de résonance fin et étroit
Based on the exploitation of the optical properties of metallic nanoparticles in combination with flexible materials, plasmonomechanics has recently emerged as a subfield of nano-optomechanics. Plasmonomechanical systems, which enable the measurement of mechanical strains applied to flexible substrates through the plasmonic response of nanostructures, have attracted much attention in the scientific research community due to their potential applications, notably in strain detectors.Understanding the microscopic mechanical response to macroscopic deformation is a foundation of plasmonomechanics, essential for comprehending the optical response of nanostructures and its evolution. The first objective of this thesis is to understand, through numerical simulation tools, the mechanical and plasmonic responses, and more precisely, how interparticle distances evolve at the nanometric scale when macroscopic mechanical strain is imposed and influence the plasmonic response of the system. This will be studied through simple plasmonomechanical systems composed of gold nanodimers deposited on a PDMS membrane.Another challenge in this field is the design of plasmonomechanical systems with high sensitivity to mechanical deformations. This can be achieved through plasmonic systems supporting resonance modes with minimal losses (narrow linewidth). Thus, the second objective of this thesis is to realize plasmonomechanical systems supporting resonances such as the Fano resonance in a rod-disk system and the surface lattice resonance in a 2D array of gold nanorings, both known for their sharp and narrow resonance profiles