I ricercatori della Rice University hanno sintetizzato e isolato nanoparticelle di magnesio plasmonico che mostrano tutte le promesse del loro oro, cugini argento e alluminio senza alcuno degli inconvenienti.

Il laboratorio di ricerca dei materiali Emilie Ringe ha prodotto le particelle per testare la loro capacità di emettere plasmoni, le spettrali bande elettroniche che, quando innescato da energia dall'esterno, incresparsi sulla superficie di alcuni metalli.

La ricerca appare sulla rivista American Chemical Society Nano lettere .

I materiali plasmonici sono preziosi perché possono concentrare la luce e spremere il suo potere in volumi su scala nanometrica, una proprietà utile per i sensori chimici e biologici. Possono essere utilizzati anche come fotocatalizzatori e per applicazioni mediche in cui possono, ad esempio, mirare alle cellule tumorali ed essere attivato per emettere calore per distruggerle.

Ma l'oro e l'argento sono costosi. "Semplicemente non sono convenienti se stai cercando di fare cose economiche su larga scala, come la catalisi industriale, " disse Ring, un assistente professore di scienza dei materiali e nanoingegneria e di chimica alla Rice.

"Siamo stati davvero entusiasti dell'alluminio, perché è uno dei pochi materiali plasmonici abbondanti sulla Terra, ma ha un difetto critico, " ha detto. "Le sue proprietà intrinseche significano che è un buon plasmonico nella gamma ultravioletta, ma non altrettanto buono nel visibile e povero nell'infrarosso. Non è così bello se vuoi fare la fotocatalisi con il sole."

Queste limitazioni hanno posto le basi per l'indagine del laboratorio Ringe sul magnesio anche abbondante. "Può risuonare attraverso l'infrarosso, gamma visibile e ultravioletta, " ha detto. "La gente ne ha parlato, ma nessuno è stato davvero in grado di creare e osservare le proprietà ottiche dei singoli cristalli di magnesio".

I tentativi di altri laboratori di fabbricare strutture di magnesio si sono rivelati difficili e hanno prodotto nanoparticelle con scarsa cristallinità, così Ringe e i coautori John Biggins dell'Università di Cambridge, Inghilterra, e il borsista postdottorato Rice Sadegh Yazdi hanno unito i loro talenti in chimica, spettroscopia e teoria per sintetizzare nanocristalli in un liquido e analizzarli con il potente microscopio elettronico di Rice.

Quello che hanno prodotto erano cristalli su scala nanometrica che riflettevano perfettamente la natura esagonale del loro reticolo sottostante. "Questo ci offre un'opportunità, " ha detto. "Argento, oro e alluminio, tutti i metalli con cui siamo abituati a lavorare su scala nanometrica, sono materiali cubici a facce centrate. Puoi creare cubi e barre e cose che hanno la simmetria della struttura sottostante.

"Ma il magnesio ha un reticolo esagonale, " Ringe ha detto. "Gli atomi sono imballati in modo diverso, quindi siamo in grado di creare forme che fisicamente non possiamo creare con un metallo cubico a facce centrate. Siamo davvero entusiasti delle possibilità perché significa che possiamo creare nuove forme, o almeno forme che non sono tipiche delle nanoparticelle. E nuove forme significano nuove proprietà."

Le particelle si sono rivelate inaspettatamente robuste, lei disse. Il laboratorio ha iniziato mescolando un precursore di magnesio con litio e naftalene, creando un potente radicale libero che potrebbe ridurre un precursore organometallico del magnesio al magnesio metallico. Le particelle risultanti erano piastre esagonali di dimensioni comprese tra 100 e 300 nanometri con uno spessore compreso tra 30 e 60 nanometri.

Come il magnesio sfuso, hanno scoperto che intorno al magnesio si formava uno strato di ossido autolimitante che lo proteggeva da un'ulteriore ossidazione senza modificare le proprietà plasmoniche del materiale. Ciò ha contribuito a preservare la forma caratteristica delle particelle, che è rimasta stabile anche tre mesi dopo la sintesi e diverse settimane in aria, ha detto Ring.

"È straordinariamente stabile all'aria, " ha detto. "All'inizio, abbiamo preso tutte le precauzioni possibili, utilizzando un vano portaoggetti per ogni trasferimento di campione, e alla fine della giornata abbiamo deciso di lasciare un campione in aria, solo per vedere. L'abbiamo testato dopo due settimane, ed era sempre lo stesso.

"Ci abbiamo provato un po' troppo tardi, ad essere onesti, " ha detto Ringe. "Avremmo potuto risparmiare tempo se avessimo iniziato con quello!"

Il prossimo passo sarà potenziare le particelle con molecole leganti che le aiuteranno a cambiare forma, che sintonizza anche la loro risposta plasmonica. Si aspetta che ci vorrà un altro anno di lavoro.

"Il punto chiave è che questo sarà uno strumento nella cassetta degli attrezzi plasmonica che può fare cose che nessun altro metallo può fare, Ringe ha detto. "Nessun altro metallo è a buon mercato e può risuonare attraverso l'intero spettro. E può essere fatto, essenzialmente, in un bicchiere".