Rice University-onderzoekers hebben plasmonische magnesium-nanodeeltjes gesynthetiseerd en geïsoleerd die de belofte van hun goud laten zien, zilveren en aluminium neven met geen van de nadelen.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Emilie Ringe produceerde de deeltjes om hun vermogen om plasmonen uit te zenden te testen, de spookachtige elektronenbanden die, wanneer getriggerd door energie van buitenaf, rimpeling over het oppervlak van bepaalde metalen.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Plasmonische materialen zijn waardevol omdat ze licht kunnen concentreren en de kracht ervan in nanoschaalvolumes kunnen persen. een nuttige eigenschap voor chemische en biologische sensoren. Ze kunnen ook worden gebruikt als fotokatalysatoren en voor medische toepassingen waarin ze, bijvoorbeeld, gericht op kankercellen en worden getriggerd om warmte af te geven om ze te vernietigen.

Maar goud en zilver zijn duur. "Ze zijn gewoon niet betaalbaar als je op grote schaal goedkope dingen probeert te doen, zoals industriële katalyse, " zei Ringe, een assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering en scheikunde bij Rice.

"We waren erg enthousiast over aluminium, omdat het een van de weinige aarde-overvloedige plasmonische materialen is, maar het heeft een kritieke fout, "zei ze. "De intrinsieke eigenschappen ervan betekenen dat het een goed plasmonisch middel is in het ultraviolette bereik, maar niet zo goed in het zichtbare en slecht in het infrarood. Dat is niet zo geweldig dat je fotokatalyse wilt doen met de zon."

Die beperkingen vormden de basis voor het onderzoek van het Ringe-lab naar het eveneens overvloedige magnesium. "Het kan resoneren over het infrarood, zichtbare en ultraviolette bereiken, "zei ze. "Mensen hebben erover gepraat, maar niemand is echt in staat geweest om de optische eigenschappen van eenkristallen van magnesium te maken en te bekijken."

Pogingen van andere laboratoria om magnesiumstructuren te fabriceren bleken moeilijk en produceerden nanodeeltjes met een slechte kristalliniteit, dus Ringe en co-auteurs John Biggins van de Universiteit van Cambridge, Engeland, en Rice, postdoctoraal fellow Sadegh Yazdi, combineerden hun talenten in de chemie, spectroscopie en theorie om nanokristallen in vloeistof te synthetiseren en te analyseren met de krachtige elektronenmicroscoop van Rice.

Wat ze produceerden waren kristallen op nanoschaal die perfect de hexagonale aard van hun onderliggende rooster weerspiegelden. “Dit geeft ons een kans, "zei ze. "Zilver, goud en aluminium, alle metalen waarmee we gewend zijn te werken op nanoschaal, zijn face-centered kubieke materialen. Je kunt kubussen en staven maken en dingen die de symmetrie hebben van de onderliggende structuur.

"Maar magnesium heeft een hexagonaal rooster, " zei Ringe. "De atomen zijn anders verpakt, dus we kunnen vormen maken die we fysiek niet kunnen maken met een kubusvormig metaal in het midden van het gezicht. We zijn erg enthousiast over de mogelijkheden omdat het betekent dat we nieuwe vormen kunnen maken - of in ieder geval vormen die niet typerend zijn voor nanodeeltjes. En nieuwe vormen betekenen nieuwe eigenschappen."

De deeltjes bleken onverwacht robuust te zijn, ze zei. Het lab begon met het mengen van een magnesiumprecursor met lithium en naftaleen, het creëren van een krachtige vrije radicaal die een organometallische magnesiumvoorloper tot magnesiummetaal zou kunnen verminderen. De resulterende deeltjes waren hexagonale platen die in grootte varieerden van 100 tot 300 nanometer met een dikte tussen 30 en 60 nanometer.

Zoals bulkmagnesium, ze ontdekten dat zich een zelfbeperkende oxidelaag rond het magnesium vormde die het beschermde tegen verdere oxidatie zonder de plasmonische eigenschappen van het materiaal te veranderen. Dat hielp de karakteristieke vorm van de deeltjes te behouden, die zelfs drie maanden na synthese en enkele weken in de lucht stabiel bleef, zei Ringe.

"Het is formidabel luchtstabiel, "zei ze. "In het begin, we hebben alle voorzorgsmaatregelen genomen die we konden, het gebruik van een handschoenenkastje voor elke monsteroverdracht, en aan het eind van de dag besloten we om gewoon een monster in de lucht te laten, gewoon om te zien. We hebben het na twee weken getest, en het was nog steeds hetzelfde.

"Dat hebben we iets te laat geprobeerd, om eerlijk te zijn, ' zei Ringe. 'We hadden tijd kunnen besparen als we daarmee waren begonnen!'

De volgende stap zal zijn om de deeltjes te versterken met bindende moleculen die hen zullen helpen hun vorm te veranderen, die ook hun plasmonische respons afstemt. Ze verwacht dat dat nog een jaar gaat duren.

"Het belangrijkste punt is dat dit een hulpmiddel in de plasmonics-gereedschapskist wordt dat dingen kan doen die geen van de andere metalen kan doen, Ringe zei. "Geen enkel ander metaal is goedkoop en kan over het hele spectrum resoneren. En het kan worden gemaakt, eigenlijk, in een beker."