Исследователи синтезируют наночастицы обильного материала

Исследователи из Университета Райса создали и изолировали плазменные магнитные наночастицы, которые демонстрируют все обещания своих серебряных, золотых и алюминиевых коллег с ни одним из недостатков.

Защитные оксидные слои (красные) наносят наночастицы магния (зеленого), созданные учеными из Университета Райса. Наночастицы показывают плазмонные свойства по инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому спектрам. (Image credit: Ringe Group)

Лаборатория Rice исследователя материалов Эмили Рингэ синтезировала частицы, чтобы проверить их способность выделять плазмоны, призрачные электронные полосы, которые при активации энергией извне пульсируют по поверхности некоторых металлов.

Исследование было опубликовано в журнале Американского химического общества Nano Letters.

Плазмонические материалы полезны, поскольку они могут концентрировать свет и сжимать его мощность в наноразмерных объемах, что является ценным свойством для биологических и химических датчиков. Их можно дополнительно использовать в качестве фотокатализаторов и для медицинских применений, где они могут, например, нацеливать раковые клетки и активироваться, чтобы выделять тепло для их уничтожения.

Однако золото и серебро дороги. « Они просто не доступны, если вы пытаетесь делать дешевые вещи в очень больших масштабах, например, промышленный катализ», – сказал Ринг, доцент кафедры материаловедения и наноинженерности и химии Райса.

«Мы были в восторге от алюминия, потому что это один из самых распространенных плазмонических материалов, богатых Землей, но он имеет критический недостаток», – сказала она. «Его внутренние свойства означают, что он является хорошим плазмоником в ультрафиолетовом диапазоне, но не так хорош в видимом и бедном инфракрасном диапазоне. Это не так здорово, если вы хотите делать фотокатализ с солнцем ».

Эти ограничения подготовили сцену для исследования лаборатории Рингэ также обильного магния. « Он может резонировать в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах», – сказала она. « Люди говорили об этом, но никто действительно не мог сделать и посмотреть на оптические свойства монокристаллов магния».

Усилия других лабораторий по изготовлению магниевых структур оказались трудными и создавали наночастицы со слабой кристалличностью, поэтому Ринг и соавторы Джон Биггинс из Университета Кембриджа, Англия, и постдокторант Райс Садег Язди объединили свои таланты в спектроскопии, химии и теории для получения нанокристаллов в жидкости и исследовать их с помощью надежного электронного микроскопа Райса

То, что они создали, было нанометровыми кристаллами, которые плавно отражали гексагональную природу их основной решетки. «Это дает нам возможность», – сказала она. « Серебро, золото и алюминий, все металлы, с которыми мы привыкли работать в наномасштабе, представляют собой гранецентрированные кубические материалы. Вы можете создавать кубики и стержни и предметы, которые имеют симметрию базовой структуры.

«Но магний имеет гексагональную решетку», . «Атомы упакованы по-разному, поэтому мы можем создавать фигуры, которые физически мы не можем сделать с гранецентрированным кубическим металлом. Мы очень рады возможностям, потому что это означает, что мы можем создавать новые формы или, по крайней мере, формы, не характерные для наночастиц. И новые формы означают новые свойства ».

Частицы оказались неожиданно сильными, сказала она. Лаборатория начала смешивать предшественник магния с нафталином и литием, образуя сильные свободные радикалы, способные восстанавливать металлоорганический предшественник магния в магниевом металле. Последующие частицы представляли собой гексагональные пластины, размер которых простирался от 100 до 300 нм с толщиной от 30 до 60 нм.

. Подобно массивному магнию, они обнаружили, что вокруг магния образуется самоограничивающий оксидный слой, который закрепил его от дальнейшего окисления без изменения свойств плазмы. Это помогло сохранить типичную форму частиц, которая оставалась стабильной даже через три месяца после синтеза и нескольких недель в воздухе, сказал Ринг.

«Это ужасно стабильно», – сказала она. « В начале мы приняли все меры предосторожности, которые мы могли, используя перчаточный ящик для каждой передачи образца, и в конце дня мы решили просто оставить образец в воздухе, просто чтобы посмотреть. Мы проверили его через две недели, и все было по-прежнему.

«Мы пытались это слишком поздно, если честно», сказал Ринг. « Мы могли бы сэкономить время, если бы мы только начали с этого!»

Следующим шагом будет улучшение частиц с молекулами связывания, которые помогут им изменить их формы, что также улучшает их плазмонный отклик. Она считает, что потребуется еще один год работы.

«Ключевым моментом является то, что это будет инструмент в наборе инструментов плазмоники, который может делать то, что не могут сделать другие металлы», – сказал Ринг. « Ни один другой металл не дешев и может резонировать по всему спектру. И это может быть сделано, по существу, в мензунке ».

Биггинс является преподавателем университета в прикладной механике в Кембриджском университете. Исследование было поддержано премией 3M Non-Tenured Faculty, Американским фондом исследований нефтехимического общества и Бинациональным научным фондом.

Source link