Systematic study of the color of colloids of metallic nanoparticles

Abstract

ABSTRACT: Metallic nanoparticles under electromagnetic radiation illumination experience physical phenomena known as localized plasmon resonances whose most significant consequence is a great enhancement of the electric field in the vicinity of the nanoparticles. These phenomena are responsible for stunning colorimetric properties of certain metallic nanoparticles colloids. However, the relationship between the colloids properties and their color is neither simple nor direct. In this work we review how color coordinates can be evaluated from colloids properties. There are three aspects involved in color coordinates calculations: i. localized plasmon resonances, ii. radiative transfer models, and iii. color science. Here, we have studied each one of them independently, and applied them in combination to study colloids’ color dependences on nanoparticles size, shape, optical properties, and the embedding medium. Additionally, we have developed a multilayer four-flux based Monte Carlo to study light transfer. This Monte Carlo, unlike analytical methods, allows the study of transient states, and light transfer across heterogeneous media. The color review conducted in this work has, among others, potential applications in industries where coloring techniques are applied, e.g., glass industry.

RESUMEN: Cuando nanoparticulas metálicas son iluminadas con radiación electromagnética sufren fenómenos físicos conocidos como resonancias plasmónicas localizadas cuya principal consecuencia es un aumento significativo del campo eléctrico en las inmediaciones de las nanopartículas. Estas resonancias son responsables de las sorprendentes propiedades colorimétricas de algunos coloides de nanopartículas metálicas. Sin embargo, la relación entre las propiedades de los coloides y su color no es simple ni directa. En este trabajo, se ha revisado como obtener coordenadas de color a partir de las propiedades de los coloides. Hay tres aspectos involucrados en estos cálculos: i. Resonancias plasmónicas localizadas, ii. Modelos de transferencia de radiación, y iii. La ciencia del color. En este trabajo se ha estudiado cada uno de estos aspectos de forma independiente, y se han aplicado en conjunto en el estudio de la dependencia del color de los coloides en función de las propiedades ópticas, tamaño y forma de las nanopartículas, y del medio embebedor. También, se ha desarrollado un Monte Carlo multicapa basado en el “four-flux model” para estudiar el transporte de luz. Este Monte Carlo, al contrario que modelos analíticos, permite estudiar estados transitorios además de medios heterogéneos. El análisis del color realizado en este trabajo tiene, entre otras, una potencial aplicaci ón en industrias que utilicen técnicas de coloreado, por ejemplo en la industria del vidrio.