1. Utangulizi

Vigae vya nanoteknolojia vya metali vilivyo na tabaka nyingi, hasa miundo ya msingi-koti-koti ya dhahabu-silika-dhahabu (Au@SiO2@Au), vimevutia umakini mkubwa wa utafiti kutokana na sifa zake za kipekee za plasmonic. Hizi "nanomatryoshka" zinaonyesha uimarishaji mkubwa wa uga wa karibu na majibu yanayoweza kurekebishwa ya kuona ikilinganishwa na chembechembe za nanoteknolojia zenye sehemu moja. Uwezo wao wa kudhibiti mwingiliano wa mwanga-na-nyenzo kupitia msisimko wa plasmon wa uso (SPRs) huwafanya kuwa wagombea wenye matumaini kwa matumizi ya hali ya juu katika spektroskopi, tiba ya matibabu, na muhimu zaidi, uvunaji wa nishati ya jua wenye ufanisi wa juu. Kazi hii inawasilisha mfumo wa kinadharia wa kutabiri utendaji wa kuona na ufanisi wa ubadilishaji wa joto-kwa-mwanga wa miundo hii ya nanoteknolojia chini ya mnururisho wa jua, kwa lengo la kuharakisha muundo wa nyenzo kwa teknolojia za jua.

2. Msingi wa Kinadharia

2.1 Nadharia ya Mtawanyiko wa Mie

Majibu ya kuona ya miundo ya nanoteknolojia ya duara yenye tabaka nyingi yanahesabiwa kwa kutumia nadharia ya mtawanyiko wa Mie kwa tufe zenye kituo kimoja. Njia hii ya uchambuzi hutoa suluhisho kamili za sehemu za msalaba za kutoweka, mtawanyiko, na kunyonya ($Q_{ext}$, $Q_{scat}$, $Q_{abs}$) kama kazi ya urefu wa wimbi. Nadharia hiyo inazingatia ukubwa, muundo, na muundo wa tabaka ya chembechembe ya nanoteknolojia, ikiruhusu utabiri sahihi wa vilele vya msisimko wa plasmon na upanuzi wao.

2.2 Mfano wa Uhamisho wa Joto

Joto linalozalishwa baada ya kunyonya mwanga linaonyeshwa kwa kutumia mlinganyo wa uhamisho wa joto. Nishati ya jua iliyonyonywa, inayotokana na $Q_{abs}$, hufanya kama msongamano wa chanzo cha joto. Kupanda kwa joto kwa wakati na nafasi katika kati inayozunguka (k.m., maji) kunahesabiwa kwa uchambuzi, kwa kuunganisha sifa za kuona moja kwa moja na utendaji wa joto.

3. Mbinu & Mfano

3.1 Jiometri ya Muundo wa Nanoteknolojia

Mfano huu huchunguza tufe yenye tabaka tatu zenye kituo kimoja: msingi wa dhahabu (nusu kipenyo $r_1$), koti la silika (nusu kipenyo cha nje $r_2$), na koti la nje la dhahabu (nusu kipenyo cha nje $r_3$), zilizowekwa ndani ya maji ($\varepsilon_4$). Jiometri hufafanuliwa na kazi za dielektriki: $\varepsilon_1$(Au, msingi), $\varepsilon_2$(SiO2), $\varepsilon_3$(Au, koti).

3.2 Kazi ya Dielektriki & Vigezo

Marekebisho ya kazi ya dielektriki ya dhahabu yenye kiasi kikubwa yanayotegemea ukubwa hutumiwa kuzingatia athari za mtawanyiko wa uso wa elektroni katika dhahabu ya kiwango cha nanoteknolojia, ambayo ni muhimu kwa utabiri sahihi, hasa kwa vipengele vya chini ya 50nm. Vigezo vya nyenzo kwa dhahabu na silika vinachukuliwa kutoka kwa data ya majaribio iliyothibitishwa.

4. Matokeo & Uchambuzi

Kipimo Muhimu cha Utendaji

Kinategemea Muundo

Ufanisi wa kunyonya nishati ya jua unaweza kurekebishwa sana kupitia vipimo vya msingi/koti.

Hali ya Uigizaji

80 mW/cm²

Mnururisho wa jua uliotumika kwa utabiri wa kupanda kwa joto.

Msingi wa Kinadharia

Nadharia ya Mie

Hutoa makubaliano ya kiasi na majaribio ya awali.

4.1 Sehemu za Msalaba za Kuona & Spektra

Mahesabu yanaonyesha kuwa muundo wa Au@SiO2@Au unaunga mkono msisimko mbalimbali, unaoweza kurekebishwa wa plasmon. Tabaka ya nafasi ya silika huunda muunganisho kati ya plasmon za msingi wa ndani na koti la nje, na kusababisha mchanganyiko wa hali. Hii husababisha bendi za kunyonya zilizoimarishwa na zilizopanuliwa katika wigo unaoonekana na karibu na infrared ikilinganishwa na koti moja la Au au chembechembe imara ya Au, ambayo ni bora kwa kukamata sehemu kubwa ya wigo wa jua.

4.2 Ufanisi wa Kunyonya Nishati ya Jua

Ufanisi wa kunyonya nishati ya jua unahesabiwa kwa kuunganisha sehemu ya msalaba ya kunyonya $Q_{abs}(\lambda)$ juu ya wigo wa jua wa AM 1.5. Kipimo kilichopendekezwa cha uzuri kinaonyesha kuwa ufanisi unaweza kuboreshwa kwa kurekebisha kwa uangalifu nusu vipenyo $r_1$, $r_2$, na $r_3$. Muundo wa tabaka nyingi hutoa mechi bora ya spektra na mwanga wa jua kuliko miundo rahisi.

4.3 Utabiri wa Kupanda kwa Joto

Mfano huu unatabiri kupanda kwa joto kulingana na wakati kwa suluhisho la vigae vya nanoteknolojia chini ya mwangaza. Kwa kutumia $Q_{abs}$ iliyohesabiwa kama chanzo cha joto, suluhisho la uchambuzi la uhamisho wa joto linaonyesha kupanda kwa joto kinachoweza kupimika ambacho halingana na mwelekeo kutoka kwa vipimo vya majaribio vya awali, na kuthibitisha uwezo wa utabiri wa mfano huu kwa matumizi ya joto-kwa-mwanga.

5. Ufahamu Muhimu & Mtazamo wa Mchambuzi

Ufahamu wa Msingi

Karatasi hii sio tu uigizaji mwingine wa plasmonics; ni mpango wa lengo kwa muundo wa kimantiki-badala ya jaribio-na-kosa katika nyenzo za nanoteknolojia za joto-kwa-mwanga. Kwa kuunganisha kwa ukali nadharia ya Mie na kazi ya dielektriki iliyorekebishwa kwa ukubwa, waandishi wanapita zaidi ya marekebisho ya ubora wa msisimko hadi utabiri wa kiasi wa vipimo vya ubadilishaji wa nishati, hasa kupanda kwa joto chini ya mtiririko halisi wa jua. Hii inaunganisha pengo muhimu kati ya optiki ya msingi na uhandisi wa joto unaotumika.

Mtiririko wa Kimantiki

Mantiki ni ya kustaajabisha laini na thabiti: 1) Jiometri hufafanua optiki (Nadharia ya Mie → $Q_{abs}(\lambda)$). 2) Optiki hufafanua pembejeo ya nguvu ($Q_{abs}$ iliyounganishwa juu ya wigo wa jua → nguvu iliyonyonywa). 3) Pembejeo ya nguvu hufafanua pato la joto (mlinganyo wa uhamisho wa joto → $\Delta T(t)$). Mfululizo huu unaonyesha mchakato wa kimwili yenyewe, na kufanya mfano uwe wa kueleweka na wa kufaa kwa kiufundi. Unafuata mbinu ile ile ya kanuni za kwanza inayotumika katika kazi muhimu kama vile muundo wa fuwele za photonic, ambapo muundo huamua kazi.

Nguvu & Kasoro

Nguvu: Ujumuishaji wa marekebisho ya dielektriki yanayotegemea ukubwa ni nguvu kubwa, ambayo mara nyingi hupitwa kwa urahisi katika miundo rahisi lakini ni muhimu kwa usahihi katika kiwango cha nanoteknolojia, kama ilivyosisitizwa katika rasilimali kama Hifadhidata ya Fahirisi ya Kukataza Mwanga. Kiungo cha moja kwa moja kwa matokeo yanayoweza kupimika (joto) ni muhimu sana kwa umakini wa matumizi.
Kasoro: Uzuri wa mfano pia ni kikomo chake. Inadhania ulinganifu kamili wa duara, monodispersity, na chembechembe zisizoshirikiana katika kati ya homogeneous—hali ambazo mara chache hukutana katika viwango vya juu vya colloids au viunganishi vya hali ngumu. Hupuuza njia zinazowezekana za kuoza zisizo za mnururisho ambazo hazibadilishi kuwa joto na inadhania usawa wa papo hapo wa joto kwenye uso wa chembechembe ya nanoteknolojia, ambayo inaweza kuvunjika chini ya mnururisho wa mfululizo au wenye nguvu sana.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa

Kwa watafiti na wahandisi: Tumia mfano huu kama mahali pa kuanzia pa uaminifu wa juu kwa utengenezaji wa prototaypu ndani ya kompyuta. Kabla ya kuunda chembechembe moja ya nanoteknolojia, pita vigezo ($r_1$, $r_2$, $r_3$) ili kupata mstari wa Pareto kwa kunyonya kwa upana wa bendi dhidi ya kiwango cha kilele. Kwa watafiti wa majaribio, $\Delta T(t)$ iliyotabiriwa hutoa kigezo; kupotoka kwa maana kunaelekeza kwa mkusanyiko, ukosefu wa umbo, au matatizo ya koti. Hatua inayofuata ya kimantiki, kama inavyoonekana katika ukuzaji wa miundo kwa nyenzo kama perovskites, ni kuunganisha mfano huu wa msingi na mienendo ya majimaji ya kompyuta (kwa hasara za convective) au uchambuzi wa kipengele cha mwisho (kwa jiometri tata na vitu vya msingi).

6. Maelezo ya Kiufundi & Mfumo wa Hisabati

Kiini cha hesabu ya kuona kiko katika mgawo wa Mie $a_n$ na $b_n$ kwa tufe yenye tabaka nyingi. Sehemu za msalaba za kutoweka na mtawanyiko hutolewa na:

$Q_{ext} = \frac{2\pi}{k^2} \sum_{n=1}^{\infty} (2n+1)\operatorname{Re}(a_n + b_n)$

$Q_{scat} = \frac{2\pi}{k^2} \sum_{n=1}^{\infty} (2n+1)(|a_n|^2 + |b_n|^2)$

ambapo $k = 2\pi\sqrt{\varepsilon_4}/\lambda$ ni nambari ya wimbi katika kati inayozunguka. Sehemu ya msalaba ya kunyonya ni $Q_{abs} = Q_{ext} - Q_{scat}$. Mgawo $a_n$ na $b_n$ ni kazi tata za kigezo cha ukubwa $x = kr$ na fahirisi za jamaa za kukataza mwanga $m_i = \sqrt{\varepsilon_i / \varepsilon_4}$ kwa kila tabaka, zilizohesabiwa kupitia algoriti za kurudia kulingana na kazi za Riccati-Bessel.

Msongamano wa chanzo cha joto $S$ (nguvu kwa kila kitengo cha ujazo) unaozalishwa katika chembechembe ya nanoteknolojia ni $S = I_{sol} \cdot Q_{abs} / V$, ambapo $I_{sol}$ ni mnururisho wa jua na $V$ ni ujazo wa chembechembe. Kupanda kwa joto $\Delta T$ katika majimaji yanayozunguka kisha hutatuliwa kutoka kwa mlinganyo wa usambazaji wa joto, mara nyingi hutoa mbinu ya kielelezo kwa joto la hali thabiti.

7. Matokeo ya Majaribio & Maelezo ya Mchoro

Maelezo ya Mchoro (Mchoro 1 katika PDF): Mchoro unaonyesha muundo wa "nanomatryoshka" wa Au@SiO2@Au wenye kituo kimoja. Ni mtazamo wa sehemu ya msalaba unaonyesha msingi imara wa dhahabu (ndani kabisa, iliyowekwa alama Au), iliyozungukwa na koti la duara la silika (katikati, iliyowekwa alama SiO2), ambayo kwa upande wake imepakwa na koti la nje la dhahabu (nje kabisa, iliyowekwa alama Au). Muundo mzima umetiwa ndani ya maji. Nusu vipenyo vimeonyeshwa kama $r_1$ (nusu kipenyo cha msingi), $r_2$ (nusu kipenyo cha nje cha koti la silika), na $r_3$ (nusu kipenyo cha koti la nje la dhahabu). Vipindi vya dielektriki vinavyolingana ni $\varepsilon_1$ (msingi wa Au), $\varepsilon_2$ (SiO2), $\varepsilon_3$ (koti la Au), na $\varepsilon_4$ (maji).

Uhusiano Muhimu wa Majaribio: Karatasi inasema kuwa mahesabu ya kinadharia, yakiwa na marekebisho ya dielektriki yanayotegemea ukubwa, "yanakubaliana vizuri na matokeo ya majaribio ya awali." Hii inamaanisha kuwa spektra za kinadharia za kutoweka/kunyonya kwa vigezo maalum vya jiometri zinarudia kwa mafanikio nafasi za vilele, maumbo, na ukubwa wa jamaa ulioonekana katika vipimo halisi vya spektroskopi vya chembechembe za nanoteknolojia za Au@SiO2@Au zilizoundwa, na kuthibitisha usahihi wa mfumo wa kinadharia.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Uchunguzi wa Kesi

Hali: Kutengeneza koti la nanoteknolojia kwa athari ya juu ya joto-kwa-mwanga katika utoaji wa chumvi wa maji ya bahari unaoendeshwa na jua.

Utumiaji wa Mfumo:

  1. Fafanua Lengo: Ongeza $Q_{abs}$ iliyounganishwa juu ya wigo wa AM 1.5 ili kuzalisha joto kwa ajili ya uzalishaji wa mvuke.
  2. Kupita Vigezo: Kwa kutumia mfano, badilisha kwa utaratibu $r_1$ (10-30 nm), $r_2$ (40-60 nm), na $r_3$ (50-70 nm).
  3. Hesabu Vipimo: Kwa kila jiometri, hesabu ufanisi wa kunyonya nishati ya jua (kipimo cha uzuri kutoka kwa karatasi) na $\Delta T$ ya hali thabiti iliyotabiriwa katika maji kwa 80 mW/cm².
  4. Boresha & Tambua Mabadiliko: Mchoro wa contour unaweza kuonyesha kuwa koti la nje la Au nyembamba ($r_3 - r_2$) hupanua msisimko lakini hupunguza kunyonya kwa kilele. Hatua bora hulainisha upana wa bendi na kiwango kwa wigo wa jua.
  5. Pato: Mfano hutambua muundo wa mgombea (k.m., $r_1=20$ nm, $r_2=50$ nm, $r_3=60$ nm) na utendaji uliotabiriwa bora kuliko chembechembe imara ya Au ya ujazo sawa. Jiometri hii ya lengo kisha hupitishwa kwa timu za usanisi.
Mbinu hii ya kimuundo, inayoendeshwa na mfano, huzuia usanisi na majaribio ya nasibu, na kuokoa wakati na rasilimali nyingi.

9. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo

  • Utakaso wa Maji ya Bahari na Uchochezi wa Joto: Miundo bora ya nanoteknolojia inaweza kutumika kama vyanzo vya joto vya eneo maalum vilivyo na ufanisi wa juu kwa ajili ya uvukizaji wa maji ya kiolesura au kwa kuendesha athari za kemikali za endothermic (k.m., urekebishaji wa methane) kwa kutumia mwanga wa jua.
  • Vidonge vya Tiba ya Joto-kwa-Mwanga: Marekebisho zaidi ya msisimko ndani ya madirisha ya karibu na infrared ya kibayolojia (NIR-I, NIR-II) yanaweza kuongeza kupenya kwa tishu kirefu kwa ajili ya matibabu ya saratani, kujenga juu ya dhana kutoka kwa majukwaa kama Maabara ya Tabia ya Nanoteknolojia ya NCI.
  • Mifumo ya Mseto ya Umeme-Joto (PV-T): Kuunganisha chembechembe hizi za nanoteknolojia kama vigeuzi vya spektra mbele ya au ndani ya seli za jua. Zinaweza kunyonya na kubadilisha mwanga wa UV/bluu (ambao seli za jua hutumia kwa ufanisi duni) kuwa joto, huku zikiwa wazi kwa mwanga wa nyekundu/NIR unaotumika na seli, na kwa uwezekano kuongeza ufanisi wa mfumo kwa ujumla.
  • Uigizaji wa Hali ya Juu: Kazi ya baadaye lazima iunganishe mfano huu wa msingi na uigizaji ngumu zaidi: Uwanja wa Muda wa Tofauti ya Mwisho (FDTD) kwa chembechembe zisizo za duara au zilizounganishwa, na uigizaji wa mienendo ya optiki-joto-majimaji kwa mazingira halisi ya kifaa.
  • Uchunguzi wa Nyenzo: Kutumia mfumo huo wa muundo kwa nyenzo mbadala kama vile semiconductors zilizotiwa doping, nitrides za plasmonic (k.m., TiN), au nyenzo za pande mbili kunaweza kutoa miundo ya nanoteknolojia ya bei nafuu, thabiti zaidi, au yenye utajiri wa kazi.

10. Marejeo

  1. Phan, A. D., Le, N. B., Lien, N. T. H., & Wakabayashi, K. (2022). Miundo ya nanoteknolojia ya plasmonic yenye tabaka nyingi kwa ajili ya uvunaji wa nishati ya jua. arXiv preprint arXiv:1808.03755v1.
  2. Bohren, C. F., & Huffman, D. R. (1983). Kunyonya na Mtawanyiko wa Mwanga na Chembechembe Ndogo. Wiley.
  3. Kreibig, U., & Vollmer, M. (1995). Sifa za Kuona za Makundi ya Metali. Springer.
  4. Prodan, E., Radloff, C., Halas, N. J., & Nordlander, P. (2003). Mfano wa mchanganyiko kwa majibu ya plasmon ya miundo changamano ya nanoteknolojia. Sayansi, 302(5644), 419-422.
  5. Maabara ya Kitaifa ya Nishati ya Kurejeshwa (NREL). (2023). Mnururisho wa Kumbukumbu wa Spektra ya Jua: Misa ya Hewa 1.5. Imepatikana kutoka https://www.nrel.gov.
  6. Link, S., & El-Sayed, M. A. (1999). Sifa za spektra na mienendo ya kupumzika ya oscillations za elektroni za plasmon ya uso katika nukta na fimbo za nanoteknolojia za dhahabu na fedha. Jarida la Kemia ya Kimwili B, 103(40), 8410-8426.
  7. Richardson, H. H., et al. (2009). Masomo ya majaribio na ya kinadharia ya ubadilishaji wa mwanga-kwa-joto na athari za joto za pamoja katika suluhisho za chembechembe za nanoteknolojia za metali. Leta za Nanoteknolojia, 9(3), 1139-1146.