Trong phần này tác giả sẽ trình bày hiệu ứng quang nhiệt của các GNC được nghiên cứu trên từng hạt riêng lẻ. Cách thiết kế thí nghiệm và cấu hình quang học đã được nhóm chúng tôi phát triển từ nghiên cứu trước và như hình 3.9. Với cấu hình quang học này dễ dàng sử dụng 1 trong 2 laser kích thích vào mẫu nhờ một gương bán mạ di động. Một trong hai chùm laser được hội tụ vào mẫu với độ rộng vết 2 µm2 đối với laser xanh (bước sóng 532 nm) và 3,2 µm2 đối với laser đỏ (bước sóng 650 nm). Với 2 bước sóng laser 532 nm và 650 nm tương ứng với 2 cộng hưởng plasmon của GNC, do đó khi sử dụng các laser này để nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt sẽ cho hiệu suất chuyển đổi quang thành nhiệt cao. Trong luận văn này, tác giả sử dụng laser đỏ có bước sóng 650 nm để nghiên cứu tính chất quang nhiệt trên đơn hạt GNC. Nhiệt độ đo được trên một hạt GNC khi có kích thích của laser là nhiệt độ cục bộ tại chính
bề mặt của hạt nano. Bằng phương pháp RSCS như đã trình bày ở chương 1 sẽ cho phép xác định được nhiệt độ này[38].
G(τ) = 1
4π∑∞l=0cl2e− l(l+1)
2τB τ (3.1)
Với 𝜏𝐵 =3𝜂(𝑇)𝑉ℎ
𝑘𝐵𝑇 (3.2) là thời gian quay hồi phục Brown. Thời gian này dễ dàng được suy ra từ biểu thức(3.1).
Trong đề tài này, các hạt GNC được đặt trong glycerol. Đây là môi trường có hệ số nhớt phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và nó không hấp thụ ánh sáng ở bước sóng laser kích thích. Sự phụ thuộc của hệ số nhớt glycerol vào nhiệt độ được Nian-Sheng Cheng công bố năm 2008[39].
( 1233 ) ( ) 12100exp 9900 70 g T T T T (3.3)
Với g( )T là độ nhớt của môi trường glycerol, T là nhiệt độ tuyệt đối.
Tuy nhiên, trong biểu thức (3.2) ta cần xác định thể tích thủy động Vh học của GNC. Điều thú vị là khi các hạt GNC được nhúng chìm trong glycerol thì cũng tham gia đồng thời 2 chuyển động: chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến. Do đó, Vh có thể đo được thông phương pháp theo dõi đơn hạt. Nhờ vào phương pháp này, hệ số khuếch tán dịch chuyển Dt có thể dễ dàng tính được, cụ thể tóm tắt như sau:
Khi hạt chuyển động trong chất lỏng, bình phương trung bình dịch chuyển tỷ lệ với thời gian. Theo lý thuyết, bình phương trung bình dịch chuyển được xác định từ công thức
2
( ) 4 t
r t D
(3.4)
Với τ là thời gian hạt chuyển động. Dt là hệ số khuếch tán của hạt nano trong môi trường glycerol. Dt được xác định bởi
6 ( ) B t g h k T D T R (3.5) Trong thực nghiệm, kB là hằng số Bolzmann, chúng ta dễ dàng đo được giá trị
2 ( )
2 2 2
( ) ( ) ( )
r t x t y t
(3.6)
Ở nhiệt độ phòng (t = 23oC) nhờ vào thuật toán của nhóm MOSAIC và phần mềm matlab. Từ đây ta xác định được Dt bằng cách làm khớp giữa phương trình (3.6) với (3.4), từ đó tính được bán kính thủy động lực họcRhcủa hạt nano. Từ đó thay vào (3.2) và kết hợp với (3.3) suy ra được nhiệt độ cần đo.
Hình 3.9. Cấu hình quang học dùng để nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của các hạt nano vàng bán nguyệt
Để đo đạc nhiệt độ chính xác do một GNC sinh ra dưới kích thích của laser tới, ta cần đánh giá sự phù hợp theo thực nghiệm của thời gian hồi phục quay Brown với nhiệt độ bên ngoài.