| |
 |
图 （a）基于离子通道和电化学装置检测光电流的示意图；（b）单层和三层手性纳米膜光电流与入射光偏振度的关系分析；（c）不同入射角度的圆偏振光照射下的光电流（入射角指光与纳米薄膜表面之间的角度）
在国家自然科学基金项目（批准号：21925402、32071400、21977038）等资助下，江南大学匡华教授团队与以色列魏兹曼研究所、美国密歇根大学、巴西圣保罗大学、新加坡国立大学以及北京应用物理和计算数学研究所合作，利用圆偏振光照射手性金纳米薄膜，通过搭建电化学装置监测光电流，进而实现对入射光偏振度的灵敏检测。研究成果以“偏振光敏感的手性等离子体纳米膜（Polarization-sensitive optoionic membranes from chiral plasmonic nanoparticles）”为题，于2022年3月15日在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01079-3。
偏振光的探测能有效提高科学实验细节的可见性，在遥感探测、环境监测、信息加密传输等领域都具有重要意义。例如，被称为“活化石”的螳螂虾，它的复眼拥有数量众多的小眼，这些小眼有序排列，能够使其看到光的偏振特性，帮助它捕猎或躲避天敌。受此启发，将有序排列的金纳米颗粒作为离子通道，手性金纳米膜在圆偏振光照射下，可以驱动纳米膜通道中的离子运输产生光电流。通过电流—时间曲线变化监测光电流，实现入射光偏振度的检测。通常，圆偏振光中左、右手性光子差异通常不超过百分之一，这使得对左圆偏振光（LCP）和右圆偏振光（RCP）的区分是一个重大的科学挑战。在该研究中，LCP和RCP光照手性纳米膜产生的光电流差异可达到2.41倍。而且，手性金纳米膜检测圆偏振光，不受光的入射角度影响，在45°到90°的入射光角度范围内，均表现出完全一致的光电流结果（图）。
研究团队深入探究了手性金纳米膜区分圆偏振光的机制。金纳米颗粒表面的手性分子苯丙氨酸自组装，在颗粒表面形成厚度约为2 nm的手性有机分子层。模拟计算表明，在左、右圆偏振光照射下，手性金纳米膜被激发的电子数量存在明显差异。苯丙氨酸配体在金纳米颗粒表面形成有机层，使得光照下的电子衰减被有效抑制，在金纳米膜两侧形成电势差，从而驱动离子运输产生电流；而离子通道的独特传输特性使得LCP和RCP的差异性高灵敏检测成为可能。