نانوپوستههای چندلایه مبتنی بر فلز، به ویژه ساختارهای هسته-پوسته-پوسته طلا-سیلیکا-طلا (Au@SiO2@Au)، به دلیل خواص پلاسمونیک منحصر به فرد خود، توجه تحقیقاتی قابل توجهی را به خود جلب کردهاند. این «نانوماتریوشکاها» در مقایسه با نانوذرات تکجزئی، تقویت میدان نزدیک قوی و پاسخهای نوری قابل تنظیم از خود نشان میدهند. توانایی آنها در دستکاری برهمکنشهای نور-ماده از طریق تشدید پلاسمون سطحی (SPRs)، آنها را به گزینههای امیدوارکنندهای برای کاربردهای پیشرفته در طیفسنجی، درمان پزشکی و به طور حیاتی، برداشت انرژی خورشیدی با بازده بالا تبدیل میکند. این کار یک چارچوب نظری برای پیشبینی عملکرد نوری و بازده تبدیل فوتوترمال این نانوساختارها تحت تابش خورشیدی ارائه میدهد و هدف آن تسریع طراحی مواد برای فناوریهای خورشیدی است.
پاسخ نوری نانوساختارهای کروی چندلایه با استفاده از نظریه پراکندگی مای برای کرههای هممرکز محاسبه میشود. این رویکرد تحلیلی، راهحلهای دقیقی برای مقاطع خاموشی، پراکندگی و جذب ($Q_{ext}$، $Q_{scat}$، $Q_{abs}$) به عنوان تابعی از طول موج ارائه میدهد. این نظریه اندازه، ترکیب و ساختار لایهای نانوذره را در نظر میگیرد و امکان پیشبینی دقیق قلههای تشدید پلاسمون و پهنشدگی آنها را فراهم میکند.
حرارت تولید شده پس از جذب نور با استفاده از یک معادله انتقال حرارت مدلسازی میشود. انرژی خورشیدی جذب شده، که از $Q_{abs}$ به دست میآید، به عنوان چگالی منبع حرارت عمل میکند. افزایش دمای زمانی و مکانی بعدی در محیط اطراف (مانند آب) به صورت تحلیلی محاسبه میشود و خواص نوری را مستقیماً به عملکرد حرارتی مرتبط میسازد.
مدل یک کره سه لایه هممرکز را بررسی میکند: یک هسته طلا (شعاع $r_1$)، یک پوسته سیلیکا (شعاع بیرونی $r_2$) و یک پوسته بیرونی طلا (شعاع بیرونی $r_3$)، که در آب ($\varepsilon_4$) قرار گرفتهاند. هندسه توسط توابع دیالکتریک تعریف میشود: $\varepsilon_1$(طلا، هسته)، $\varepsilon_2$(SiO2)، $\varepsilon_3$(طلا، پوسته).
یک اصلاح وابسته به اندازه از تابع دیالکتریک طلای تودهای برای در نظر گرفتن اثرات پراکندگی سطح الکترون در طلای نانومقیاس به کار گرفته میشود که برای پیشبینی دقیق، به ویژه برای ویژگیهای زیر ۵۰ نانومتر، حیاتی است. پارامترهای مواد برای طلا و سیلیکا از دادههای آزمایشی معتبر گرفته شدهاند.
وابسته به ساختار
بازده جذب خورشیدی از طریق ابعاد هسته/پوسته به شدت قابل تنظیم است.
۸۰ میلیوات بر سانتیمتر مربع
تابش خورشیدی استفاده شده برای پیشبینی افزایش دما.
نظریه مای
توافق کمی با آزمایشهای قبلی را فراهم میکند.
محاسبات نشان میدهد که ساختار Au@SiO2@Au از چندین تشدید پلاسمون قابل تنظیم پشتیبانی میکند. لایه فاصلهگذار سیلیکا، یک جفتشدگی بین پلاسمونهای هسته داخلی و پوسته بیرونی ایجاد میکند که منجر به آمیختگی مدها میشود. این امر در مقایسه با یک پوسته طلای ساده یا نانوذره طلای جامد، به باندهای جذب تقویت شده و پهنشده در سراسر طیف مرئی و فروسرخ نزدیک منجر میشود که برای جذب بخش بزرگتری از طیف خورشیدی ایدهآل است.
بازده جذب انرژی خورشیدی با انتگرالگیری از مقطع جذب $Q_{abs}(\lambda)$ بر روی طیف خورشیدی AM 1.5 محاسبه میشود. معیار پیشنهادی نشان میدهد که بازده را میتوان با تنظیم دقیق شعاعهای $r_1$، $r_2$ و $r_3$ بهینه کرد. طراحی چندلایه تطابق طیفی برتری با نور خورشید نسبت به ساختارهای سادهتر ارائه میدهد.
مدل افزایش دمای وابسته به زمان یک محلول نانوپوسته تحت تابش را پیشبینی میکند. با استفاده از $Q_{abs}$ محاسبه شده به عنوان منبع حرارت، راهحل تحلیلی انتقال حرارت افزایش دمای قابل اندازهگیریای را نشان میدهد که با روندهای حاصل از اندازهگیریهای آزمایشی قبلی همخوانی دارد و توانایی پیشبینی مدل را برای کاربردهای فوتوترمال تأیید میکند.
این مقاله فقط یک شبیهسازی دیگر پلاسمونیک نیست؛ بلکه یک نقشه راه هدفمند برای طراحی منطقی به جای آزمون و خطا در نانومواد فوتوترمال است. با اتصال دقیق نظریه مای به یک تابع دیالکتریک تصحیح شده بر اساس اندازه، نویسندگان فراتر از تنظیم کیفی تشدید، به پیشبینی کمی معیارهای تبدیل انرژی، به ویژه افزایش دما تحت شار خورشیدی واقعی، حرکت میکنند. این امر شکاف حیاتی بین اپتیک بنیادی و مهندسی حرارتی کاربردی را پر میکند.
منطق به طور تحسینبرانگیزی خطی و قوی است: ۱) هندسه اپتیک را تعریف میکند (نظریه مای → $Q_{abs}(\lambda)$). ۲) اپتیک ورودی توان را تعریف میکند ($Q_{abs}$ انتگرالگیری شده روی طیف خورشیدی → توان جذب شده). ۳) ورودی توان خروجی حرارتی را تعریف میکند (معادله انتقال حرارت → $\Delta T(t)$). این آبشار خود فرآیند فیزیکی را بازتاب میدهد و مدل را هم شهودی و هم از نظر مکانیکی مستحکم میسازد. این همان رویکرد اصول اولیهای را دنبال میکند که در آثار مهمی مانند طراحی بلورهای فوتونیک مورد حمایت قرار گرفته است، جایی که ساختار عملکرد را دیکته میکند.
نقاط قوت: گنجاندن تصحیحات دیالکتریک وابسته به اندازه یک نقطه قوت اصلی است که اغلب در مدلهای سادهتر نادیده گرفته میشود اما برای دقت در مقیاس نانو ضروری است، همانطور که در منابعی مانند پایگاه داده ضریب شکست تأکید شده است. ارتباط مستقیم با یک نتیجه قابل اندازهگیری (دما) برای تمرکز کاربردی بسیار ارزشمند است.
نقاط ضعف: زیبایی مدل نیز محدودیت آن است. این مدل تقارن کروی کامل، تکپاشیدگی و ذرات غیربرهمکنشگر در یک محیط همگن را فرض میکند - شرایطی که به ندرت در کلوئیدهای غلیظ عملی یا کامپوزیتهای حالت جامد برآورده میشود. این مدل مسیرهای واپاشی غیرتابشی بالقوهای را که به حرارت تبدیل نمیشوند نادیده میگیرد و تعادل حرارتی آنی در سطح نانوذره را فرض میکند که ممکن است تحت تابش پالسی یا با شدت بسیار بالا نقض شود.
برای پژوهشگران و مهندسان: از این مدل به عنوان نقطه شروع با وفاداری بالا برای نمونهسازی درون رایانهای استفاده کنید. قبل از سنتز حتی یک نانوذره، پارامترها ($r_1$، $r_2$، $r_3$) را جاروب کنید تا جبهه پارتو برای جذب پهنباند در مقابل شدت قله را بیابید. برای آزمایشگران، $\Delta T(t)$ پیشبینی شده یک معیار ارائه میدهد؛ انحرافات قابل توجه به تجمع، ناقص بودن شکل یا مشکلات پوشش اشاره میکند. گام منطقی بعدی، همانطور که در تکامل مدلها برای موادی مانند پرووسکایتها دیده میشود، ادغام این مدل هستهای با دینامیک سیالات محاسباتی (برای تلفات همرفتی) یا تحلیل المان محدود (برای هندسهها و زیرلایههای پیچیده) است.
هسته محاسبه نوری در ضرایب مای $a_n$ و $b_n$ برای یک کره چندلایه نهفته است. مقاطع خاموشی و پراکندگی به صورت زیر داده میشوند:
$Q_{ext} = \frac{2\pi}{k^2} \sum_{n=1}^{\infty} (2n+1)\operatorname{Re}(a_n + b_n)$
$Q_{scat} = \frac{2\pi}{k^2} \sum_{n=1}^{\infty} (2n+1)(|a_n|^2 + |b_n|^2)$
که در آن $k = 2\pi\sqrt{\varepsilon_4}/\lambda$ عدد موج در محیط اطراف است. مقطع جذب $Q_{abs} = Q_{ext} - Q_{scat}$ است. ضرایب $a_n$ و $b_n$ توابع مختلطی از پارامتر اندازه $x = kr$ و ضرایب شکست نسبی $m_i = \sqrt{\varepsilon_i / \varepsilon_4}$ برای هر لایه هستند که از طریق الگوریتمهای بازگشتی مبتنی بر توابع ریکاتی-بسل محاسبه میشوند.
چگالی منبع حرارت $S$ (توان بر واحد حجم) تولید شده در نانوذره $S = I_{sol} \cdot Q_{abs} / V$ است، که در آن $I_{sol}$ تابش خورشیدی و $V$ حجم ذره است. افزایش دما $\Delta T$ در سیال اطراف سپس از معادله انتشار حرارت حل میشود که اغلب به یک رویکرد نمایی به دمای حالت پایدار منجر میشود.
توصیف نمودار (شکل ۱ در PDF): شماتیک ساختار «نانوماتریوشکا» هممرکز Au@SiO2@Au را نشان میدهد. این یک نمای مقطعی است که یک هسته جامد طلا (داخلیترین، برچسب Au) را نشان میدهد که توسط یک پوسته کروی سیلیکا (وسط، برچسب SiO2) احاطه شده است، که به نوبه خود توسط یک پوسته بیرونی طلا (بیرونیترین، برچسب Au) پوشش داده شده است. کل ساختار در آب غوطهور است. شعاعها به صورت $r_1$ (شعاع هسته)، $r_2$ (شعاع بیرونی پوسته سیلیکا) و $r_3$ (شعاع پوسته بیرونی طلا) نشان داده شدهاند. ثابتهای دیالکتریک متناظر $\varepsilon_1$ (هسته طلا)، $\varepsilon_2$ (SiO2)، $\varepsilon_3$ (پوسته طلا) و $\varepsilon_4$ (آب) هستند.
همبستگی آزمایشگاهی کلیدی: مقاله بیان میکند که محاسبات نظری، با دربرگرفتن اصلاح دیالکتریک وابسته به اندازه، «با نتایج آزمایشگاهی قبلی به خوبی توافق دارد.» این بدان معناست که طیفهای خاموشی/جذب مدلشده برای پارامترهای هندسی خاص، با موفقیت موقعیت قلهها، شکلها و شدتهای نسبی مشاهده شده در اندازهگیریهای طیفسنجی واقعی نانوذرات سنتز شده Au@SiO2@Au را بازتولید میکنند و دقت چارچوب نظری را تأیید میکنند.
سناریو: طراحی یک نانوپوسته برای حداکثر اثر فوتوترمال در شیرینسازی آب دریا با محرک خورشیدی.
کاربرد چارچوب: