I campi elettrici indotti nei modelli computerizzati di nanomatryushka di alluminio della Rice University mostrano che a basse distanze di gap (a sinistra), il trasferimento di carica tra il nucleo e il guscio è così grande, il sistema si comporta essenzialmente come una sfera solida. A distanze superiori (centro e destra), il nucleo e il guscio mostrano effetti plasmonici individuali più forti. La barra della scala mostra l'intensità del campo indotto divisa per l'intensità del campo in ingresso. Credito:Vikram Kulkarni/Rice University
(Phys.org) —Le proprietà plasmoniche dell'umile alluminio possono renderlo molto più prezioso dell'oro e dell'argento per determinate applicazioni, secondo una nuova ricerca degli scienziati della Rice University.
Perché l'alluminio, come nanoparticelle o nanostrutture, mostra risonanze ottiche in una regione dello spettro molto più ampia rispetto all'oro o all'argento, potrebbe essere un buon candidato per la raccolta di energia solare e per altri dispositivi e materiali ottici di grandi dimensioni che sarebbero troppo costosi da produrre con metalli nobili o da conio.
Fino a poco tempo fa, l'alluminio non era ancora stato considerato utile per le applicazioni plasmoniche per diversi motivi:si ossida naturalmente, e alcuni studi hanno mostrato notevoli discrepanze tra il "colore" risonante dell'alluminio nanostrutturato fabbricato e le previsioni teoriche.
Il lavoro combinato di due laboratori Rice ha affrontato ciascuno di questi ostacoli in un paio di nuove pubblicazioni.
Un articolo dei laboratori degli scienziati di Rice Naomi Halas e Peter Nordlander, "Alluminio per Plasmonica, " dimostra che il colore delle nanoparticelle di alluminio dipende non solo dalla loro dimensione e forma, ma anche criticamente sul loro contenuto di ossido. Hanno dimostrato che, infatti, il colore di una nanoparticella di alluminio fornisce una prova diretta della quantità di ossidazione del materiale di alluminio stesso. Il documento appare sulla rivista American Chemical Society (ACS) ACS Nano .
La produzione di nanoparticelle di alluminio puro è stata un ostacolo nel loro sviluppo per la plasmonica, ma il laboratorio Halas ha creato una gamma di particelle a forma di disco da 70 a 180 nanometri di diametro per testare le loro proprietà. I ricercatori hanno scoperto che mentre i plasmoni delle nanoparticelle d'oro risuonano in lunghezze d'onda visibili da 550 a 700 nanometri e argento da 350 a 700, l'alluminio può raggiungere l'ultravioletto, a circa 200 nanometri.
Quando un'onda elettromagnetica (a sinistra) colpisce una nanomatryushka (al centro ea destra) - un nucleo solido all'interno di un guscio cavo - la dimensione del divario determina la forza della risposta plasmonica. Se la distanza è sufficientemente piccola, il tunneling quantistico attraverso lo spazio consente ai plasmoni di risuonare come se il nucleo e il guscio fossero una singola particella, cambiando radicalmente la loro risposta. Credito:Vikram Kulkarni/Rice University
I laboratori hanno anche caratterizzato l'effetto di indebolimento dell'ossidazione naturale ma auto-passivante sulle superfici in alluminio. "Per il ferro, la ruggine passa attraverso, " ha detto Nordlander. "Ma per l'alluminio puro, l'ossido è così duro e impermeabile che una volta formato un foglio di ossido di tre nanometri, il processo si ferma." Per dimostrarlo, i ricercatori hanno lasciato i loro dischi esposti all'aria aperta per tre settimane prima di ripetere il test e hanno trovato la loro risposta invariata.
"Il motivo per cui usiamo oro e argento nella nanoscienza è che non si ossidano. Ma alla fine, con alluminio, la natura ci ha dato qualcosa che possiamo sfruttare, " ha detto Nordlander.
Il secondo articolo di Nordlander e del suo gruppo prevede effetti quantistici nell'alluminio plasmonico che sono più forti di quelli in un'analoga struttura d'oro quando sotto forma di nanomatryushka, nanoparticelle multistrato che prendono il nome dalle famose bambole russe nidificanti. Nordlander ha scoperto che gli effetti della meccanica quantistica in questi materiali sono fortemente collegati alla dimensione dello spazio tra il guscio e il nucleo. Il documento è apparso di recente sulla rivista ACS Nano lettere .
"Oltre ad essere un materiale economico e sintonizzabile, esibisce effetti quantomeccanici più grandi, gamme più accessibili e più precise dell'oro o dell'argento, "Nordlander ha detto. "Vediamo questo come un documento fondamentale".
Nordlander ha utilizzato simulazioni al computer per studiare le discrepanze tra l'elettromagnetismo classico e la meccanica quantistica, e precisamente dove le due teorie divergono sia nelle nanomatryushka d'oro che di alluminio. "L'alluminio mostra un comportamento molto più quantistico a una data dimensione del gap rispetto all'oro, " ha detto. "Fondamentalmente per spazi molto piccoli, tutto è nel regno quantico (dove dominano le forze subatomiche), ma man mano che aumenti il divario, il sistema si rivolge alla fisica classica."
Da piccolo, Nordlander significa ben al di sotto di un singolo nanometro (un miliardesimo di metro). Con lo spazio tra il nucleo e il guscio in una nanomatryushka d'oro a circa mezzo nanometro, lui e l'autore principale Vikram Kulkarni, uno studente laureato in riso, gli elettroni trovati hanno acquisito la capacità di passare da uno strato all'altro nella nanoparticella. Un divario maggiore del 50% nell'alluminio ha consentito lo stesso effetto quantistico. In entrambi i casi, il tunneling quantistico attraverso lo spazio ha permesso ai plasmoni di risuonare come se il nucleo e il guscio fossero una singola particella, migliorando notevolmente la loro risposta.
I calcoli dovrebbero essere di grande interesse per coloro che utilizzano le nanoparticelle come sonde nella spettroscopia Raman, dove il tunneling quantistico tra le particelle può smorzare i campi elettrici e annullare i calcoli classici, Egli ha detto.
Nordlander ha notato che l'algoritmo di Kulkarni ha permesso al team di eseguire uno dei più grandi calcoli di plasmonica quantistica mai eseguiti. Hanno usato la potenza del supercomputer BlueBioU di Rice per tracciare un numero enorme di elettroni. "È facile tenere traccia di due bambini, ma immagina se tu avessi più di un milione, " Egli ha detto.
Gli autori principali di "Aluminum for Plasmonics" sono gli studenti laureati della Rice Mark Knight e Nicholas King. I coautori includono lo studente laureato Lifei Liu e Henry Everitt, un capo scienziato presso il Charles Bowden Research Lab dell'esercito degli Stati Uniti, Arsenale di Pietrarossa, Ala., e professore a contratto alla Duke University. La ricerca è stata supportata dalla Robert A. Welch Foundation, la borsa di studio della Facoltà di scienze e ingegneria della sicurezza nazionale, l'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare, il principale programma di strumentazione di ricerca della National Science Foundation, il programma di ricerca indipendente dal laboratorio interno dell'esercito e l'Ufficio di ricerca dell'esercito.
Alunno del riso Emil Prodan, un assistente professore di fisica alla Yeshiva University, New York, è co-autore di "Quantum Plasmonics:Optical Properties of a Nanomatryushka".
