Individuele goudklompjes op nanoschaal, koper, aluminium, zilver en andere metalen die de energie van licht opvangen en aan het werk zetten, worden gebruikt door wetenschappers van de Rice University die een manier hebben ontdekt om multifunctionele structuren op nanoschaal te bouwen.

De constructies hebben een aluminium kern en zijn bezaaid met nog kleinere metalen eilanden. De materialen ondersteunen allemaal gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties, collectieve oscillaties van de elektronen in de nanostructuur die worden geactiveerd wanneer licht het deeltje raakt.

Deze oscillaties op nanoschaal in elektronendichtheid kunnen chemische reacties en zelfs reactiebevorderende katalysatoren aandrijven.

De techniek die is ontwikkeld in de laboratoria van Rice-materiaalwetenschappers Emilie Ringe en Naomi Halas, maakt gebruik van aluminium nanokristallen als basis voor op grootte afstembare overgangsmetaaleilanden die gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties mogelijk maken. Aluminium is een effectief plasmonisch materiaal, maar het toevoegen van kleinere katalytische deeltjes uit drie kolommen van het periodiek systeem verbetert het vermogen van de structuur om chemische reacties te bevorderen die worden aangedreven door de energie van licht, zoals blijkt uit een eerdere samenwerking tussen de Halas- en Ringe-groepen.

De techniek zorgt voor aanpasbare oppervlaktechemie en reactiviteit in één materiaal, aldus de onderzoekers. Het kan nuttig zijn voor fotokatalyse, oppervlakteversterkte spectroscopie en kwantumplasmonica, de studie van de kwantumeigenschappen van licht en hoe ze interageren met nanodeeltjes.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

De onderzoekers zeiden dat hun algemene polyoltechniek kan worden gebruikt om meerdere materialen te combineren in een eenvoudige, controleerbaar proces.

Rice afgestudeerde student en hoofdauteur Dayne Swearer en zijn collega's gebruikten een tweestaps synthetische methode die begon met de reductie van een aluminiumprecursor tot gezuiverde aluminiumdeeltjes tussen 50 en 150 nanometer breed. Ze hebben de deeltjes gesuspendeerd in ethyleenglycol, voegde een metaalzoutprecursor toe en kookte de oplossing om de zouten te verminderen die uiteindelijk kiemden en uitgroeiden tot nano-eilanden die het oppervlak van de originele aluminium nanokristallen verfraaiden.

De onderzoekers ontdekten met behulp van een elektronenmicroscoop dat een natuurlijke aluminiumoxidelaag van 2 tot 4 nanometer de aluminium nanokristallen en katalytische nano-eilanden scheidde. Aanvullend, in samenwerking met Rowan Leary en Paul Midgley, materiaalwetenschappers aan de universiteit van Cambridge, het team was in staat om elektronentomografie te gebruiken om de grootte en locatie van meer dan 500 individuele ruthenium-nano-eilanden op een enkel aluminium nanokristal te identificeren.

"De natuurlijk voorkomende nanoschaalgeometrie van deze nieuwe materialen is echt opwindend, Swearer zei. "Omdat een dunne laag aluminiumoxide de twee materialen scheidt, we kunnen hun eigenschappen onafhankelijk afstemmen op onze behoeften in toekomstige toepassingen."

Het lab gebruikte de methode om aluminium nanokristallen te decoreren met ijzer, kobalt, nikkel, ruthenium rhodium, platina, palladium en iridium. De eilanden waren zo klein als 2 nanometer breed en zo groot als 15 nanometer.

Op maat ontworpen apparaten die aluminium en plasmonische eilanden koppelen, maken gewilde reacties gemakkelijker te activeren, zei Ringe.

in 2016, het team toonde aan dat aluminium nanokristallen versierd met palladiumeilanden, op een andere manier gemaakt, kan worden gebruikt voor selectieve hydrogeneringen bij blootstelling aan licht die niet mogelijk waren bij eenvoudige verwarming in het donker. "We hopen dat met deze nieuwe, uitgebreide bibliotheek van vergelijkbare nanomaterialen, veel nieuwe soorten voorheen ontoegankelijke chemische reacties zullen mogelijk worden, ' zei Zweer.

De kleine afmetingen van de eilanden zorgen ervoor dat ze beter licht kunnen absorberen dan grotere nanodeeltjes en dat ze ook beter in staat zijn om hete elektronen te produceren en ze in doelmoleculen te injecteren voor katalyse, hij zei.

"De synthese zou kunnen worden gebruikt om nog uitgebreidere combinaties van metalen en halfgeleiders uit het periodiek systeem te maken, Swearer zei. "Elke nieuwe materiaalcombinatie heeft het potentieel om voor verschillende toepassingen te worden onderzocht."