Magnesium storslået til plasmoniske applikationer

Rice University-forskere har syntetiseret og isoleret plasmoniske magnesium-nanopartikler, der viser alt, hvad deres guld lover, sølv og aluminium fætre uden nogen af ​​ulemperne.

Materialeforskeren Emilie Ringes rislaboratorium producerede partiklerne for at teste deres evne til at udsende plasmoner, de spøgelsesagtige elektronbånd, der, når det udløses af energi udefra, krusning hen over overfladen af ​​visse metaller.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Plasmoniske materialer er værdifulde, fordi de kan koncentrere lyset og presse dets kraft i nanoskalavolumener, en nyttig egenskab for kemiske og biologiske sensorer. De kan også bruges som fotokatalysatorer og til medicinske anvendelser, hvor de kan, for eksempel, målrette kræftceller og blive udløst til at udsende varme for at ødelægge dem.

Men guld og sølv er dyre. "De er bare ikke overkommelige, hvis du forsøger at lave billige ting i meget stor skala, som industriel katalyse, sagde Ringe, en assisterende professor i materialevidenskab og nanoteknik og i kemi på Rice.

"Vi har været virkelig begejstrede for aluminium, fordi det er et af de eneste jordrige plasmoniske materialer, men det har en kritisk fejl, " sagde hun. "Dens iboende egenskaber betyder, at den er en god plasmonisk i det ultraviolette område, men ikke så godt i det synlige og dårligt i det infrarøde. Det er ikke så fantastisk, at du vil lave fotokatalyse med solen."

Disse begrænsninger satte scenen for Ringe-laboratoriets undersøgelse af også rigeligt magnesium. "Det kan give genlyd på tværs af det infrarøde, synlige og ultraviolette områder, " sagde hun. "Folk har talt om det, men ingen har virkelig været i stand til at lave og se på de optiske egenskaber af enkeltkrystaller af magnesium."

Forsøg fra andre laboratorier på at fremstille magnesiumstrukturer viste sig at være vanskelige og producerede nanopartikler med dårlig krystallinitet, så Ringe og medforfattere John Biggins fra University of Cambridge, England, og Rice postdoc Sadegh Yazdi kombinerede deres talenter inden for kemi, spektroskopi og teori til at syntetisere nanokrystaller i væske og analysere dem med Rice's kraftfulde elektronmikroskop.

Det, de producerede, var krystaller i nanoskala, der perfekt afspejlede den sekskantede natur af deres underliggende gitter. "Dette giver os en mulighed, sagde hun. Sølv, guld og aluminium, alle de metaller vi er vant til at arbejde med på nanoskala, er ansigtscentrerede kubiske materialer. Du kan lave terninger og stænger og ting, der har den underliggende strukturs symmetri.

"Men magnesium har et sekskantet gitter, " sagde Ringe. "Atomerne er pakket forskelligt, så vi er i stand til at lave figurer, som vi fysisk ikke kan lave med et ansigtscentreret kubisk metal. Vi er virkelig begejstrede for mulighederne, fordi det betyder, at vi kan lave nye former – eller i det mindste former, der ikke er typiske for nanopartikler. Og nye former betyder nye egenskaber."

Partiklerne viste sig at være uventet robuste, hun sagde. Laboratoriet begyndte med at blande et magnesiumprækursor med lithium og naphthalen, skabe et kraftfuldt frit radikal, der kunne reducere en organometallisk magnesium-precursor til magnesiummetal. De resulterende partikler var sekskantede plader, der varierede i størrelse fra 100 til 300 nanometer med en tykkelse mellem 30 og 60 nanometer.

Ligesom bulk magnesium, de fandt ud af, at der dannedes et selvbegrænsende oxidlag omkring magnesiumet, som beskyttede det mod yderligere oxidation uden at ændre materialets plasmoniske egenskaber. Det hjalp med at bevare partiklernes karakteristiske form, som forblev stabil selv tre måneder efter syntese og flere uger i luften, sagde Ringe.

"Det er formidabelt luftstabilt, sagde hun. I starten, vi tog alle de forholdsregler vi kunne, bruge et handskerum til hver overførsel af prøve, og i slutningen af ​​dagen besluttede vi bare at efterlade en prøve ude i luften, bare for at se. Vi testede det efter to uger, og det var stadig det samme.

"Vi prøvede det lidt for sent, for at være ærlig, " sagde Ringe. "Vi kunne have sparet tid, hvis vi bare var begyndt med det!"

Det næste skridt vil være at forstærke partiklerne med bindende molekyler, der vil hjælpe dem med at ændre deres former, som også tuner deres plasmoniske respons. Hun forventer, at det vil tage endnu et års arbejde.

"Nøglepunktet er, at dette bliver et værktøj i plasmonics værktøjskassen, der kan gøre ting, som ingen af ​​de andre metaller kan, " sagde Ringe. "Intet andet metal er billigt og kan give genlyd over hele spektret. Og det kan laves, i det væsentlige, i et bæger."