近日，中国科学院物理所光物理实验室李志远博士与美国华盛顿州大学化学系夏有南教授领导的实验小组合作，在利用金纳米颗粒的几何形状控制其表面等离子体共振波长等重要光学特性上，做出了一系列创新性成果。
    长期以来，金和银的纳米结构由于在催化，光子学，电子学 ，光电子学，化学和生物传感，以及表面增强拉曼信号探测等方面的广泛用途而得到诸多关注。不过，由于制备工艺和技术的局限性，人们主要研究近球形的固体金和银纳米颗粒。这些金属颗粒的悬浊液在光照下，表面的自由电子集体振荡，在特定的波长产生强烈的表面等离子体共振现象，溶液表现出特定的颜色。理论和实验均表明，通过改变球形或近球形的固体金和银纳米颗粒的半径，可以调节表面等离子体共振波长，但是范围很小。比如，直径20nm的金颗粒球，在水中的共振波长为510nm，而直径140nm的金颗粒球共振波长仅仅红移到650nm。
    在近期的研究中，科研人员首先制备了单分散的金/银合金纳米颗粒，在颗粒外表面镀上均匀的一层纯银膜，然后在氯金酸(HAuO4)溶液中利用电化学取代反应，将纯银镀膜转化成金/银合金膜，半径增大，从而得到一种新型的纳米拨郎鼓(nanorattle)颗粒，中间的金/银合金纳米颗粒可以自由地在金/银合金膜里面移动。实验测量和理论计算均表明，这种壳层纳米颗粒能够对光波起强烈的吸收和散射作用，使表面等离子体共振波长(即消光光谱峰位置)从510nm显著红移到近红外波段(>800nm)。相关工作以Article形式发表在2004年的J. Am. Chem. Soc。
    利用相同的电化学取代反应技术，研究人员将单分散的实心立方体纳米银颗粒在氯金酸溶液中转化成空心的金纳米立方盒状(nanobox)颗粒，增加氯金酸溶液，nanobox颗粒的八个角出现圆形孔洞而形成纳米笼状(nanocage)颗粒。这些nanocage的边长可小到30nm， 壁厚可小到3nm。实验测量和理论计算表明，这些金纳米颗粒的消光光谱峰(来源于表面等离子体共振)波长可红移到800nm左右，这是光学层析术(OCT)成像的工作波长。另外，纳米颗粒对光的吸收截面远大于散射截面，并比传统的染料分子(如ICG)的吸收截面高了5个数量级。这些表明金纳米颗粒对光有显著的吸收效应。利用这个特性，研究人员开展了一系列的物理，化学，和生物医学实验，展示了金纳米颗粒应用到OCT中作为优良的光学成像反衬剂以及应用到癌细胞的识别和热疗方面的可能性。这个工作集合了化学，物理，生化，医学等多学科的研究力量，部分结果已发表在2005年的Nano Letters上，并被美国癌症研究院的官方网站报道。
    科研人员还利用类似的电化学取代反应技术，从单分散的Se@Ag2Se内核-外壳球形颗粒出发，加入Cd(NO3)2溶液，用镉离子取代外壳层的银离子，生成单分散的Se@CdSe壳层球形颗粒。 在此基础上，利用常用的微溶胶自组装技术，制备出了Se@CdSe壳层球形颗粒的三维光子晶体。由于Se(硒)和CdSe(硒化镉)均为宽带隙的半导体材料，在可见光和红外波段对光透明，而且，Se和CdSe的折射率达到3.0和2.7，远高于常用的自组装三维光子晶体材料：二氧化硅(1.5)和聚苯乙烯(1.6)。因此，晶体的光子带隙宽度显著地增大。实验测量和理论计算表明，Se@CdSe颗粒的直径为214nm时，光子带隙中心位于785nm，宽度将近80nm。相关的工作已经发表在2005年的Nano Letters上。