خواص نوری نانومواد مانند جذب، انتقال، انعکاس و انتشار در مواجهه با امواج نور با مواد توده‌ای متفاوت است. خواص نوری نانومواد از زمانی که مایکل فارادی برای اولین بار نانوذرات فلزی را در دهه 1850 سنتز کرد، مورد توجه دانشمندان قرار گرفت. نانوذرات قادرند خواص الکتریکی خود را برای ایجاد اثر کوانتومی با امکان تغییر شکل، اندازه یا نوع که بر رنگ تولید شده تأثیر می گذارد، محدود کنند. رنگ مشاهده شده در نانومواد تابعی از اثر تشدید پلاسمون سطحی است که زمانی رخ می دهد که نوار الکترونی خارجی نانومواد با طول موج های نور تشدید می شود. خواص نوری را می توان با استفاده از تکنیک های طیف سنجی مختلف تعیین کرد.
تاثیر ابعاد در خواص نوری نانومواد
خواص نوری نانومواد را می توان به راحتی با تغییر اندازه، شکل، ترکیب و عملکردهای سطح تنظیم کرد. در نانوخوشه‌های کوچک، کاهش ابعاد در ساختار الکترونیکی آنها عمیق‌ترین تأثیر را بر انرژی‌های بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده، که یک نوار ظرفیتی است، و پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده، که اساساً نوار رسانایی است، دارد. خواص نوری مانند گسیل و جذب زمانی رخ می دهد که انتقال الکترون بین این دو حالت رخ دهد. نیمه هادی ها و بسیاری از فلزات تغییرات زیادی در خواص نوری به عنوان تابعی از اندازه ذرات نشان می دهند. یک مثال ساده رنگ محلول های مختلف نانوذرات است. با افزایش اندازه، رنگ کلوئید طلا از قرمز به زرد تغییر می کند. رنگ نانوذرات به دلیل اثر تشدید پلاسمون سطحی که رزونانس باندهای الکترونی بیرونی ذرات با طول موج نور است. وقتی فوتون های نوری الکترون های بیرونی ذرات را تحریک می کنند، الکترون های بیرونی ذرات فلزی در طول موج های خاصی تکان می خورند و نور مربوط به آن رزونانس را جذب می کنند. خواصی مانند فوتوکاتالیز، رسانایی نوری، انتشار نور، الکترولومینسانس و غیره نیز تحت تأثیر کاهش ابعاد نانوذرات قرار دارند.
خواص نوری منحصر به فرد نانومواد کاربردهای متنوعی را در زمینه سنجش، حسگر زیستی، تصویربرداری زیستی، تشخیص و درمان بفراهم میکند. بنابراین، نانومواد فعال نوری به طور گسترده برای طراحی حسگرها و حسگرهای زیستی کروموژنیک و فلوروژنیک برای تشخیص انتخابی انواع مختلف یونی (یون‌های فلزی، آنیون‌ها، مولکول‌های باردار کوچک و غیره) و خنثی (داروها، آفت‌کش‌ها، مواد منفجره، مولکول‌های زیستی، و غیره) استفاده می شوند.
مبدل های نوری
حسگرهای نوری یکی از مهمترین حسگرهای شیمیایی هستند که برای پایش آنالیت‌های مختلف تولید می‌شوند. به دلیل مزیت های حسگرهای نوری نسبت به حسگرهای معمولی، توجه بیشتری به آنها می شود. نویز الکترومغناطیسی، پتانسیل بزرگتر برای کوچک سازی و قابلیت کنترل از راه دور و انتقال اطلاعات از طریق شبکه فیبر نوری تقریباً فوری از مزیت های حسگر نوری می باشد.
یک حسگر شیمیایی نوری معمولی از گونه‌های حساس به آنالیت استفاده میکند و خواص نوری آن در حضور مولکولی که باید حس شود متفاوت است. مشکل اصلی در این نوع سنسورهای نوری اغلب مربوط به ناپایداری عکس است، یعنی تجزیه یا تبخیر در مواجهه طولانی با نور. علاوه بر این، از آنجایی که بسیاری از سنسورها برای استفاده در سیستم‌های فیبر نوری طراحی شده‌اند، جرم حسگر کوچک است و تعداد نسبتاً کمی از مولکول‌ها باید نور شدید لازم برای نسبت سیگنال به نویز کافی را کنترل کنند.
نانومیله ها و نانوسیم ها
نانوسیم ها و نانومیله ها جزء نانومواد تک بعدی هستند و از نظر نوری فعال هستند. خواص نوری ارتباط نزدیکی با خواص الکتریکی و الکترونیکی دارد. اندازه‌گیری‌های نوری به درک فاصله باند و ویژگی‌های الکترونیکی آنها کمک می‌کنند. هنگامی که نانومیله ها توسط تابش الکترومغناطیسی ببرانگیخته می شوند ، پیک های جذب پلاسمون سطحی طولی و عرضی را ایجاد می کنند. پیک ها نشان دهنده نوسان جمعی الکترون های شبه آزاد به همراه محورهای بلند و کوتاه هستند. بر اساس پیک ها توسط نانومیله های مختلف، کاربرد آنها در زمینه های نوری مختلف ثابت خواهد شد.
خصوصیات آنها با استفاده از تکنیک های میکروسکوپی انجام می شود. نانومواد تک بعدی به عنوان کوچکترین بعد برای تحریک نوری عمل می کنند. در مورد نانومواد تک بعدی مانند میله ها و سیم ها، نسبت ابعاد یک نسبت مهم است. تغییر نسبت ابعاد، جذب در مناطق مختلف طیف را تغییر می دهد. شکل و اندازه نیز بر خواص نوری تأثیر می گذارد.
روش تشخیص خواص نوری نانومواد
خواص نوری نانومواد از مهمترین آنهاست و با استفاده از تکنیک های طیف سنجی مختلف قابل شناسایی است.
میکروسکوپ نوری میدان نزدیک
خواص نوری نانومواد را می توان با استفاده از میکروسکوپ نوری میدان نزدیک اندازه گیری کرد. این روش همچنین جزئیاتی در مورد سطح نانو و ویژگی های نوری و الکترونیکی آنها ارائه می دهد. اسکنر میدان نزدیک دارای دیافراگم کوچکی است و در قسمت پشت با فاصله ثابت روشن می شود. نمونه ها در فاصله کمی زیر دیافراگم اسکن می شوند و وضوح نوری نور منتقل شده یا منعکس شده توسط قطر دیافراگم محدود می شود. وضوح نوری 60 تا 100 نانومتر به طور معمول به دست می آید و تصاویر نوری با اسکن سطح نمونه نقطه به نقطه و خط به خط به دست می آیند. برخی از مزایای این میکروسکوپ وضوح بالای تصاویر تا 25 نانومتر، تجزیه و تحلیل خواص متعدد و استفاده برای انواع مختلف نمونه ها، میباشند. برخی از معایب عبارتند از فاصله کاری بسیار کم و در عمق میدان بسیار کم، همچنین جزئیات مواد نرم نارسانا را ارائه نمی دهد و به زمان اسکن طولانی برای نمونه بزرگ نیاز دارد.