Почему золото в наномасштабе бывает красным
В обычном куске золота свет отражается от множества атомов, и металл кажется жёлтым. Но у наночастицы — объекта размером в десятки нанометров — соотношение размеров меняет поведение электронов. Нанометр в миллион раз меньше миллиметра, поэтому даже крошечная частица содержит достаточно электронов, чтобы их движение могло быть коллективным.
Частица настраивается на цвет света
Когда на золотую частицу падает свет, его электрическое поле немного смещает свободные электроны относительно положительно заряженных атомов. Электроны начинают колебаться согласованно; такое коллективное колебание называют локализованным поверхностным плазмонным резонансом. Проще говоря, частица особенно сильно взаимодействует с теми цветами, которые подходят ритму этих колебаний.
Подходящий свет частично поглощается, а часть рассеивается — отправляется в разные стороны. Цвет, который наблюдатель видит, зависит от того, какие участки спектра частица ослабляет и какие направляет к глазу. У многих небольших золотых наночастиц сильное взаимодействие приходится на зелёно-синюю область, поэтому прошедший или рассеянный свет выглядит красноватым.
Форма и окружение тоже важны
У сферической частицы колебания электронов в разных направлениях устроены сходным образом. Если вытянуть частицу в стержень, вдоль его длины электронам приходится колебаться иначе, чем поперёк: резонанс смещается, и меняется воспринимаемый оттенок. Увеличение размера также меняет взаимодействие со светом; у достаточно крупных частиц рассеяние обычно становится заметнее по сравнению с поглощением. На результат влияет и среда вокруг частицы, потому что свет распространяется в ней иначе, чем в воздухе.
Поэтому цвет коллоидного золота — не просто цвет самого металла, а оптический отклик множества наночастиц. Меняя их размеры и форму, можно управлять тем, какие цвета раствор поглощает и рассеивает: один и тот же металл способен выглядеть по-разному без изменения своего химического состава.
