Koloidní zlato: sofistikovaný (nano)nástroj budoucnosti?
Zlato má výlučné postavení v celé historii lidstva a je předmětem intenzivního výzkumu i v různých oborech nanotechnologií. Zlatými nanočásticemi se zabývají i výzkumníci na Katedře fyzikální elektroniky FJFI ČVUT.
Jedinečné optické vlastnosti nanočástic ušlechtilých kovů jsou předmětem intenzivního základního výzkumu a jejich aplikační potenciál je velký. Od metamateriálů a „pláště neviditelnosti“ přes ultracitlivé a zároveň miniaturní senzory až po „chytré“ nosiče léčiv.
Zlaté nanočástice (AuN) byly empiricky využívány k barvení skla už v antice, důsledně tajený postup byl pak znovuobjeven až v renesanci. Magické se zdály být experimenty s rozpouštěním zlata a přípravou vodného roztoku. Zmínky o jeho údajných léčivých účincích pocházejí již ze starověku (Čína, Egypt).
Aurum potabile – pitné (poživatelné) zlato (překlad „tekuté zlato“ není zcela přesný, v pivním pásmu je ale s ohledem na konotace pochopitelný) poutalo pozornosti svou nádhernou rubínovou barvou, připomínající kvalitní červené víno. Vysvětlení podstaty tohoto projevu přišlo až s rozmachem nanotechnologií.
Optické vlastnosti materiálů obsahujících AuN kriticky závisejí na tvaru těchto částic, případně na jejich vzájemné konfiguraci. Při interakci s vhodným světlem se v kovových nanočásticích indukují kolektivní oscilace vodivostních elektronů, čímž se záření dílem rozptyluje a absorbuje. Tato interakce, odborně označována jako lokalizovaná povrchová plazmonová rezonance (lokalizovaný plazmon), je podstatou unikátních vlastností AuN. Pro kulové zlaté nanočástice je toto přirozené „ladění“ plazmonu totožné s frekvencí zeleného světla – proto tedy červené zabarvení roztoku při průchodu bílého světla.
Alchymisté zlatu přisuzovali výlučné postavení. Další odstavce v jeho příběhu se pokoušíme na Katedře fyzikální elektroniky FJFI napsat také my. Syntéza homogenních populací AuN s definovanými tvary a rozměry je, s mírnou nadsázkou, výzvou blížící se úsilí alchymistů. Její zvládnutí ale umožňuje precizně ladit vlastnosti nejenom individuálních AuN, ale také materiálů z nich tvořených. V naší laboratoři nanomateriálů se specializujeme právě na přípravu roztoků kovových nanočástic dobře definovaných tvarů a studium podmínek pro samouspořadání těchto částic do periodických polí. V tomto směru jsme na světové úrovni.
Možnost měnit frekvenci lokalizovaného plazmonu změnou tvaru nanočástice – od koule, přes mnohostěny až po anizometrické tyčinky – je aplikačně nesmírně atraktivní. Lze tak připravit částice vyladěné pro požadovanou oblast ve viditelném a blízkém infračerveném spektru.
V biomedicíně se AuN rutinně používají v mikroskopických zobrazovacích metodách. Vyvíjeny jsou jako cílené nosiče léčiv, jež po ozáření uvolní transportovanou látku ve zvoleném místě, či se silnými pulsy světla prudce zahřejí natolik, že usmrtí námi cílené (zhoubné) buňky (hypertermická terapie).
Při těsném uspořádání AuN navíc vznikají spřažené módy plazmonu.V prostoru mezi částicemi jsou pak výsledné intenzity pole ohromné. Spřažené módy mohou vytvářet proudové smyčky, které zpětně ovlivňují procházející světlo indukovaným magnetickým polem. Vhodným periodickým uspořádáním AuN tak lze vytvořit materiál se záporným indexem lomu. Těleso skryté pod pokrývkou z tohoto metamateriálu by se stalo opticky nezjistitelné. Právě zmiňovaná laditelnost AuN (a nanomateriálů obecně) drží tento obor stále v popředí zájmu. Komplexnost reálného prostředí přitom zároveň představuje výzvu pro každou novou aplikaci.
Zabýváme se předně základním výzkumem, avšak díky atraktivitě oboru se podařilo uplatnit dva dílčí výsledky. Ve spolupráci s kolegy z ústavů Akademie věd ČR jsme vyvinuli metodu vícenásobného značení buněčných ultrastruktur sadou nanočástic, jež byla registrována jako průmyslový užitný vzor. Při studiu samouspořádání anizometrických nanočástic máme možnost podílet se na zdokonalování techniky WET-STEM přímo ve vývojových laboratořích společnosti FEI. Spolupráce byla ze strany společnosti podpořena velkorysým stipendiem ČSMS & FEI.
foto: archiv autora
