Elucidating the positive role played by non-uniform temperature distribution around a gold nanoparticle under excitation of the plasmon band

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04884
• Research Institution: Gunma National College of Technology
• Principal Investigator: 橋本 修一 群馬工業高等専門学校, 専攻科, 特命教授 (70208445)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山路 稔 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (20220361) ; 橋本 千尋 新居浜工業高等専門学校, 生物応用化学科, 准教授 (90368465) ; 宇和田 貴之 城西大学, 理学部, 准教授 (30455448)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 貴金属ナノ粒子 / レーザー加熱 / 水滴 / ラマンスペクトル / 相転移 / 熱伝導

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、従来、貴金属ナノ粒子の光熱変換の実験的研究がバルクスケールに限られていたため、マイクロスケールの限られた空間での熱伝導の距離依存性に関する実像が明らかでなかった点を克服することを目的とする。
このため、単一金ナノ粒子を内包する単一水滴を作製し、レーザー加熱による固相から液相への相転移を観測するための実験系の作製を行った。基板上に固定された水滴と空気中にレーザーで捕捉された水滴の両者を比較することをめざした。これによって、基板の存在による非等方的温度分布の役割解明と積極的利用が可能となる。
初年度において、基板上にペルチェ冷却器を用いて水滴を作製しそのラマンスペクトル測定ができるようになった。空気中の水滴については捕捉実験の困難に直面し、ラマンスペクトル測定に至っていない。水滴の温度コントロールを行うための顕微鏡用の冷却チャンバーを作製したので、これを用いてラマンスペクトルの温度変化の測定を行う。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究計画を実施するために近赤外光レーザーを新規購入し、空気中で水滴を捕捉するための実験光学系を作製することができた。水滴の温度コントロールをおこなう冷却チャンバーを作製することができた。熱流体シミュレーションにより金ナノ粒子をレーザー加熱した場合の水滴サイズに依存した温度分布のシミュレーションにも着手した。

Strategy for Future Research Activity

金ナノ粒子を含有する水滴に関して、基板上に固定された場合と空気中にレーザーで捕捉された場合について、冷却チャンバーを用いて水分子のラマンスペクトルの温度変化を計測する。これによって、水の固相から液相への相転移温度を観測する。液滴サイズに応じた水の相転移を観測することにより、マイクロスケールでの熱伝導の実像を初めて明らかにできる。

Causes of Carryover

従来から用いてきた加熱用可視光レーザーの経時変化による強度低下が著しくなり実験継続が困難な状況である。これは予想不可能の事態であり次年度早々購入の必要があり、そのための資金を蓄える必要がある。