Plasmonica

I plasmoni sono modi elettromagnetici associati all’eccitazione coerente di elettroni liberi all’interfaccia tra un metallo e un materiale dielettrico. La loro estrema sensibilità alla geometria delle nanostrutture metalliche permette una vasta accordabilità, per mezzo di un’adeguata progettazione strutturale, sia delle proprietà spettrali, sia della distribuzione del campo elettromagnetico associato. Infatti, i plasmoni possono essere vantaggiosamente accoppiati a materiali ibridi organici / inorganici oppure a materiali di guadagno per migliorare diverse proprietà ottiche delle nanostrutture, come ad esempio l’accoppiamento di forza, la riduzione delle perdite per assorbimento, la conversione di luce in calore su scala nanometrica)

Plasmoni & plexcitoni

Sebbene i plasmoni abbiano mostrato proprietà ottiche uniche, come l’estrema amplificazione di luce a campo vicino, alta sensibilità all’ambiente circostante e modi di volume a sub-lunghezza d’onda, le loro non linearità estremamente deboli implicano importanti limitazioni alla loro integrazione come componenti attivi in circuiti nano-ottici. Questa limitazione può essere superata combinando le proprietà ottiche plasmoniche con quelle dei materiali organici / inorganici, sfruttando sia i modi di volume plasmonici sub-lunghezza d’onda sia le alte linearità eccitoniche. Il controllo preciso di tali sistemi ibridi, può essere in grado di aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi ottici ultraveloci e ultrapiccoli. Per questo motivo, negli ultimi anni c’è stato un crescente interesse per lo studio delle interazioni tra plasmoni localizzati e componenti su scala nanometrica, incluse molecole organiche in regime di forte accoppiamento. Lo scopo di questa linea è di sviluppare nuove cognizioni nell’accoppiamento forte tra plasmoni e eccitazioni di molecole organiche e sfruttare le loro potenziali applicazioni nelle comunicazioni in fotonica quantistica e l’elaborazione dell’informazione quantistica. A causa della complessa struttura molecolare, molecole organiche eccitonici-polaritoni, PLEXCITONI, sono in realtà ancora non pienamente comprese. Immagine7Rispetto ad altri sistemi polaritonici, i modi di volume effettivo molto piccoli dei plasmoni localizzati dovrebbero indurre forze di accoppiamento nel regime dei THz con eventuale funzionamento a temperatura ambiente. Il regime di forte accoppiamento è poi indagato utilizzando diversi sistemi in cui gli eccitoni sono accoppiati a plasmoni localizzati. Le varie tecniche sperimentali utilizzate per questo studio vanno dalle misure a campo scuro a quelle a campo chiaro con sistemi confocali fino a snom con risoluzione spaziale inferiore alla lunghezza d’onda della luce.

Highlights:

Studiamo l’effetto dell’interazione tra la risonanza plasmonica localizzata di nanodischi di argento e il dipolo di un materiale organico attivo (colorante cianinico). L’accoppiamento tra i due oscillatori è abbastanza forte da entrare in regime di accoppiamento forte eccitone-plasmon, causando la formazione di una nuova quasiparticella, chiamata plexciton, che è in grado di sfruttare entrambe le proprietà plasmoniche ed eccitoniche. In particolare, abbiamo dimostrato che l’ossidazione metallica dei nanodischi di argento può agire, in regime di bassa ossidazione (indicata come tempo di invecchiamento in figura), come mediatore di accoppiamento nei sistemi interagenti plasmone-emettitore, con il risultato di un aumento della forza di accoppiamento rispetto a quanto ottenuto senza effetto dell’ossidazione.

Dinamica Plasmone-Guadagno

 L’argomento principale è quello di studiare l’interazione tra mezzi di guadagno ed elementi plasmonici in metamateriali per la luce visibile. La dinamica plasmone-eccitone derivante da configurazioni di accoppiamento specifiche è stata al centro dei dibattiti scientifici e studi sperimentali per spiegare i processi fisici straordinari che possono avvenire in questi casi. Difatti, l’accoppiamento plasmone-guadagno è stato proposto come soluzione impegnativa per affrontare e risolvere il problema inevitabile delle perdite ottiche in nanostrutture a base metallica con risonanze plasmoniche a frequenze ottiche. La capacità affascinante delle nanostrutture metalliche di localizzare luce su scala molto più piccola delle lunghezze d’onda visibili è però accompagnata da enormi perdite ohmiche, con conseguenze dirette come il notevole aumento della sezione di estinzione trasversale del materiale. Ciò implica che straordinarie proprietà fisiche legate agli effetti di localizzazione di luce su scala nanometrica non possono essere sfruttate per la progettazione di materiali ottici a causa della forte attenuazione della radiazione incidente. L’idea di portare molecole di guadagno in prossimità di nanostrutture metallo-dielettrici si basa sugli effetti coerenti di trasferimento di energia di eccitazione tra le bande di risonanza dei due materiali. È noto che le relative modifiche di fluorescenza di molecole di colorante collocate in prossimità di NP metalliche sono causa di interazioni reciproche con plasmoni di superficie delle NPs, inclusi il trasferimento di energia risonante (RET).

Strategie

Le strategie di ricerca qui riportate si occupano di approcci interdisciplinari che coinvolgono il design e l’adattamento delle proprietà elettromagnetiche, la preparazione dei materiali, gli studi sperimentali avanzati e i modelli teorici.
La funzionalizzazione di materiali e le indagini sperimentali, come la spettroscopia risolta in tempo e quella transiente in assorbimento, la spettrofotometria e l’ellissometria spettroscopica, sono solo alcune delle tecniche sperimentali utilizzate per studiare come le dinamiche Plasmone-guadagno possono essere indirizzate a ridurre le perdite ottiche a diverse scale.

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Termo-Plasmonica

La terapia plasmonica fototermica (PPTT) è una strategia di trattamento oncologico poco invasiva in cui la fotoenergia è selettivamente somministrata e convertita in calore sufficiente per indurre ipertermia cellulare. A tal fine, nanoparticelle metalliche plasmoniche (NPs) sono una particolare classe di nanomateriali che possiede la capacità di localizzare la luce fino alla scala nanometrica sfruttando un fenomeno chiamato Risonanza Plasmonica localizzata (LPR). NPs sono state utilizzate nelle terapie innescando il rilascio del farmaco o migliorando l’ablazione dei tessuti malati, riducendo al minimo i danni ai tessuti sani. Abbiamo eseguito una caratterizzazione di microscopia elettronica (SEM) di una linea cellulare immortale utilizzata nella ricerca scientifica detta “cella HeLa”. L’idea innovativa si basa sulla possibilità di portare NPs nel sito del tumore e sfruttare la conversione efficiente di luce infrarossa vicina (NIR) in calore, aprendo una nuova terapia del cancro “drug-free”.

La Gene Theraphy è il processo di introduzione di DNA e RNA estraneo in cellule ospiti come potenziali strategie terapeutiche per varie malattie mediante un nano-veicolo. In particolare, le proprietà di un vettore non virale ideale sono: bassa degradazione, cellule bersaglio specifiche che evitano la risposta immunitaria nel paziente. Una delle più promettenti tecnologie alternative per la Gene Theraphy è l’uso di NPs come veicolo di consegna. Le proprietà ottiche delle PNs e la loro biocompatibilità le rendono uno strumento efficace come vettore non virale per la terapia genica. Abbiamo combinato NPs e l’intero DNA genomico umano sfruttando la possibilità di realizzare applicazioni di Gene Therapy plasmoniche (PGT). Abbiamo caratterizzato l’interazione tra NPs e acidi nucleici di lunghezza diversa utilizzando tecniche analitiche quali test di mobilità elettroforetica e microscopia elettronica a scansione.

Metodi

microscopia elettronica a scansione (SEM); test di mobilità elettroforetica; misure di potenziale Zeta.

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Facilities & Labs

Photonics Lab @ Lecce

LiCryL @ Rende (CS)

People

Alfredo_PaneAlfredo

Pane

Tecnico CNR

Antonio_deLucaAntonio

De Luca

Professore Associato

Roberto_bartolinoRoberto

Bartolino

Professore Associato

Giuseppe-StrangiGiuseppe

Strangi

Professore Associato

Ferdinanda_AnnesiFerdinanda

Annesi

Tecnico CNR

daniele_sanvittoDaniele

Sanvitto

Primo Ricercatore CNR

milen_degiorgiMilena

De Giorgi

Tecnologo CNR

paolo_cazzatoPaolo

Cazzato

Tecnico CNR

dario_ballariniDario

Ballarini

Ricercatore CNR

lorenzo_dominiciLorenzo

Dominici

Ricercatore CNR

Francesco_TodiscoFrancesco

Todisco

PostDoc Associato

BlancaSilva_FernadezBlanca

Silva Fernandez

Studente PhD Associato

Viso_UomoAntonio

Fieramosca

Studente PhD Associato

Publications

  1. F. Todisco, S. D’Agostino, M. Esposito, A.I. Fernández-Domínguez, M. De Giorgi, D. Ballarini, L. Dominici, I. Tarantini, M. Cuscuná, F. Della Sala, G. Gigli, D. Sanvitto Exciton-Plasmon Coupling Enhancement via Metal Oxidation, ACSNano 9, 9691 (2015), DOI: 10.1021/acsnano.5b04974
  2. M. El Kabbash, A. R. Rashed, K. V. Sreekanth, A. De Luca, M. Infusino and G. Strangi, Plasmon-Exciton Resonant Energy Transfer: Across Scales Hybrid Systems, Journal of Nanomaterials 4819040 (2016) DOI: 10.1155/2016/4819040
  3. A. De Luca, R. Dhama, A. R. Rashed, C. Coutant, S. Ravaine, P. Barois, M. Infusino and G. Strangi, Double strong exciton-plasmon coupling in gold nanoshells infiltrated with fluorophores, Appl. Phys. Lett., 104, 103103, (2014), DOI: 10.1063/1.4868105
  4. A. De Luca, A. Iazzolino, J.-B. Salmon, J. Leng, S. Ravaine, A. N. Grigorenko and G. Strangi, Experimental evidence of exciton-plasmon coupling in densely packed dye doped core-shell nanoparticles obtained via microfluidic technique, J. of Appl. Phys. 116, 104303, (2014), DOI: 10.1063/1.4895061
  5. A. De Sio, F. Annesi, T. Placido, R. Comparelli, V. Bruno, A. Pane, G. Palermo, L. Curri, C. Umeton, R. Bartolino, Templating gold nanorods with liquid crystalline DNA,  J. Opt. 2015, 17, 025001, DOI: 10.1088/2040-8978/17/2/025001
  6. A. De Sio, G. Caracciolo, F. Annesi, T. Placido, D. Pozzi, R. Comparelli, A. Pane, M. L. Curri, A. Agostiano, R. Bartolino, Plasmonics Meets Biology through Optics, Nanomaterials 2015 doi:10.3390/nano50x000x

Project

POLAFLOW: Polariton condensates: from fundamental physics to quantum based devicesStarting Grant ,FP7 – IDEAS – ERC-2012-StG, panel PE2 (2012-2017)

Gain-Plasmon Coupling in Metal-Dielectric Nanostructures: Loss Compensation towards Laser Action, PRIN 2012

Latest News

I° meeting TecnoMed Puglia

Lecce, 05 dicembre 2019 - Aula Rita Levi Montalcini - CNR NANOTEC Lecce

Si terrà domani, giovedì 05 dicembre, con inizio alle ore 14.00 presso l'aula Rita Levi Montalcini del Cnr Nanotec, il "I° meeting TecnoMed Puglia: Tecnopolo per la medicina di precisione". Il meeting mira a fare il punto sulle attività programmate, sullo stato di avanzamento e sugli highlights.

Puoi scaricare la locandina da qui

Jam session Nanotec... note di scienza su scala nanometrica

Lecce, 27 settembre 2019 - ex monastero degli Olivetani   "CAR-T: l'alba di una nuova era" con: Attilio Guarini (IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari) introduce e modera: Marco Ferrazzoli (Ufficio Stampa CNR Roma) a cura di: Gabriella Zammillo  

Le CAR-T (Chimeric Antigens Receptor Cells-T) sono cellule modificate in laboratorio a partire dai linfociti T. Rappresentano una nuova strategia di cura che sfrutta il sistema immunitario per combattere alcuni tipi di tumore come linfomi aggressivi a grandi cellule e leucemie linfoblastiche acute a cellule B. Il prof Attilio Guarini, ematologo all’Istituto tumori Giovanni Paolo II di Bari, le definisce la “vis sanatrix naturae della antica medicina salernitana”, trattandosi del potenziamento dell’attività citotossica dei linfociti del paziente opportunamente ingegnerizzati per riconoscere e contrastare alcuni tipi di cellule tumorali.

 

Le CAR-T possono quindi essere definite un “farmaco vivente” proprio perché prodotto a partire dalle cellule dello stesso paziente aprendo così ad un nuovo mondo, considerato che i farmaci convenzionali sono prodotti da sostanze chimiche o, in alternativa, sono anticorpi prodotti in laboratorio dai biologi. Un trattamento estremamente complesso e costoso, non sempre applicabile, ma laddove possibile, dai risultati incoraggianti per le aspettative di vita. Lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di CAR-T è parte integrante delle attività di ricerca condotte dal TecnoMed Puglia, il TecnoPolo per la Medicina di Precisione, coordinato da Giuseppe Gigli direttore del Cnr Nanotec di Lecce, e che nel suo nucleo fondatore vede anche l’IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari, il Centro di malattie neurodegenerative e dell’invecchiamento cerebrale dell’Università di Bari con sede presso l’Ospedale " G. Panico" di Tricase e la Regione Puglia.

 

L'evento apre la nuova stagione della rassegna divulgativa "Jam session Nanotec: note di scienza su scala nanometrica", un progetto Cnr Nanotec di Gabriella Zammillo, realizzato in collaborazione con Liberrima.

A condurre e moderare la serata, Marco Ferrazzoli, capo ufficio stampa dal CNR.   Puoi scaricare la locandina da qui

Notte dei Ricercatori

Lecce, 27 settembre 2019

 

ex monastero degli Olivetani, ore 18:00 - 24:00

 
  Ritorna puntuale la Notte dei Ricercatori, l’evento più atteso dai tanti appassionati di scienza, ghiotti di conoscenza senza distinzione di età. E sempre più densa di contenuti è la partecipazione del @CnrNanotec che, per l’edizione 2019,  ha reso ancora più appetibile il calendario degli appuntamenti programmati all’interno del progetto europeo #ERN-Apulia  coordinato da Unisalento, tracciando un ideale tour tra gli intriganti campi del sapere che si dipana attraverso narrazioni, illustrazioni, laboratori hand-on, dibattiti, giochi per grandi e piccini e rappresentazioni teatrali. Clicca qui per il programma completo delle attività di Nanotec.   Per l'evento completo apri il link: www.laricercaviendinotte.it