Nano-isole di rutenio aderiscono a una nanoparticella di alluminio. Gli scienziati della Rice University e i colleghi dell'Università di Cambridge hanno combinato nanoparticelle di alluminio e particelle metalliche più piccole creando nanostrutture plasmoniche versatili. Credito:Sadegh Yazdi/Rice University
Singoli pepite d'oro su nanoscala, rame, alluminio, l'argento e altri metalli che catturano l'energia della luce e la mettono in funzione sono impiegati dagli scienziati della Rice University che hanno scoperto un modo per costruire strutture multifunzionali su nanoscala.
Le strutture hanno un'anima in alluminio e sono punteggiate da isole metalliche ancora più piccole. Tutti i materiali sostengono risonanze plasmoniche superficiali localizzate, oscillazioni collettive degli elettroni all'interno della nanostruttura che si attivano quando la luce colpisce la particella.
Queste oscillazioni su nanoscala nella densità elettronica possono alimentare reazioni chimiche e persino catalizzatori che promuovono la reazione.
La tecnica sviluppata nei laboratori di Emilie Ringe e Naomi Halas, scienziate dei materiali di Rice, utilizza nanocristalli di alluminio come base per isole di metalli di transizione regolabili in dimensioni che consentono risonanze plasmoniche localizzate sulla superficie. L'alluminio è un materiale plasmonico efficace, ma l'aggiunta di particelle catalitiche più piccole da tre colonne della tavola periodica migliora la capacità della struttura di promuovere reazioni chimiche guidate dall'energia della luce, come mostrato in una precedente collaborazione tra i gruppi Halas e Ringe.
La tecnica consente una chimica superficiale e una reattività personalizzabili in un unico materiale, hanno detto i ricercatori. Potrebbe essere utile per la fotocatalisi, spettroscopia di superficie e plasmonica quantistica, lo studio delle proprietà quantistiche della luce e di come interagiscono con le nanoparticelle.
La ricerca appare sulla rivista American Chemical Society ACS Nano .
I ricercatori hanno affermato che la loro tecnica generale sui polioli può essere utilizzata per combinare più materiali in un semplice, processo controllabile.
I ricercatori della Rice University e dell'Università di Cambridge hanno realizzato e caratterizzato nanostrutture in alluminio decorate con "isole" di vari metalli di transizione (sopra, palladio e rutenio). Il versatile plasmonico consente la chimica superficiale e la reattività personalizzabili in nanostrutture monomateriale. Credito:Rowan Leary/Università di Cambridge
Lo studente laureato della Rice e autore principale Dayne Swearer e i suoi colleghi hanno utilizzato un metodo sintetico in due fasi che ha avuto inizio con la riduzione di un precursore dell'alluminio in particelle di alluminio purificato tra 50 e 150 nanometri di larghezza. Hanno sospeso le particelle in glicole etilenico, ha aggiunto un precursore del sale metallico e ha fatto bollire la soluzione per ridurre i sali che alla fine si sono nucleati e sono cresciuti in nano-isole che hanno decorato la superficie dei nanocristalli di alluminio originali.
I ricercatori hanno scoperto utilizzando un microscopio elettronico che uno strato di ossido di alluminio nativo da 2 a 4 nanometri separava i nanocristalli di alluminio e le nano-isole catalitiche. Inoltre, in collaborazione con Rowan Leary e Paul Midgley, scienziati dei materiali all'Università di Cambridge, il team è stato in grado di utilizzare la tomografia elettronica per identificare le dimensioni e la posizione di oltre 500 singole nano-isole di rutenio su un singolo nanocristallo di alluminio.
"La geometria su scala nanometrica naturale di questi nuovi materiali è davvero eccitante, "Swearer ha detto. "Perché un sottile strato di ossido di alluminio separa i due materiali, possiamo regolare in modo indipendente le loro proprietà in base alle nostre esigenze nelle applicazioni future."
Il laboratorio ha utilizzato il metodo per decorare nanocristalli di alluminio con ferro, cobalto, nichel, rutenio rodio, platino, palladio e iridio. Le isole erano larghe appena 2 nanometri e grandi fino a 15 nanometri.
I dispositivi progettati su misura che accoppiano l'alluminio e le isole plasmoniche renderanno più facile l'attivazione delle reazioni ricercate, ha detto Ring.
Nel 2016, il team ha dimostrato che i nanocristalli di alluminio decorati con isole di palladio, realizzato con un metodo diverso, potrebbero essere utilizzati per idrogenazioni selettive quando esposti alla luce che non erano possibili se semplicemente riscaldati al buio. "Ci auguriamo che con questo nuovo, vasta libreria di nanomateriali simili, diventeranno possibili molti nuovi tipi di reazioni chimiche precedentemente inaccessibili, " ha detto il giurato.
Le piccole dimensioni delle isole le rendono migliori nell'assorbire la luce rispetto alle nanoparticelle più grandi e le rendono anche migliori nel produrre elettroni caldi e iniettarli nelle molecole bersaglio per la catalisi, Egli ha detto.
"La sintesi potrebbe essere utilizzata per creare combinazioni ancora più elaborate di metalli e semiconduttori dalla tavola periodica, " Swearer ha detto. "Ogni nuova combinazione di materiali ha il potenziale per essere esplorata per diverse applicazioni".
