Los campos eléctricos inducidos en los modelos informáticos de la Universidad de Rice de nanomatryushkas de aluminio muestran que a distancias de brecha bajas (izquierda), la transferencia de carga entre el núcleo y la carcasa es tan grande, el sistema se comporta esencialmente como una esfera sólida. A mayores distancias de separación (centro y derecha), el núcleo y la cáscara muestran efectos plasmónicos individuales más fuertes. La barra de escala muestra la fuerza del campo inducido dividida por la fuerza del campo entrante. Crédito:Vikram Kulkarni / Rice University
(Phys.org) —Las humildes propiedades plasmónicas del aluminio pueden hacerlo mucho más valioso que el oro y la plata para ciertas aplicaciones, según una nueva investigación realizada por científicos de la Universidad de Rice.
Porque el aluminio como nanopartículas o nanoestructuras, muestra resonancias ópticas en una región mucho más amplia del espectro que el oro o la plata, puede ser un buen candidato para recolectar energía solar y para otros dispositivos y materiales ópticos de gran superficie que serían demasiado caros de producir con metales nobles o de acuñación.
Hasta hace poco, El aluminio aún no se había considerado útil para aplicaciones plasmónicas por varias razones:se oxida naturalmente, y algunos estudios han mostrado discrepancias dramáticas entre el "color" resonante del aluminio nanoestructurado fabricado y las predicciones teóricas.
El trabajo combinado de dos laboratorios Rice ha abordado cada uno de esos obstáculos en un par de nuevas publicaciones.
Un artículo de los laboratorios de los científicos de Rice Naomi Halas y Peter Nordlander, "Aluminio para plasmónicos, "demuestra que el color de las nanopartículas de aluminio depende no solo de su tamaño y forma, pero también críticamente en su contenido de óxido. Han demostrado que De hecho, el color de una nanopartícula de aluminio proporciona evidencia directa de la cantidad de oxidación del propio material de aluminio. El artículo aparece en la revista American Chemical Society (ACS). ACS Nano .
La fabricación de nanopartículas de aluminio puro ha sido un obstáculo en su desarrollo para plasmónicos, pero el laboratorio de Halas creó una gama de partículas en forma de disco de 70 a 180 nanómetros de diámetro para probar sus propiedades. Los investigadores encontraron que mientras que los plasmones de las nanopartículas de oro resuenan en longitudes de onda visibles de 550 a 700 nanómetros y la plata de 350 a 700, el aluminio puede alcanzar el ultravioleta, a unos 200 nanómetros.
Cuando una onda electromagnética (izquierda) golpea una nanomatryushka (centro y derecha), un núcleo sólido dentro de una capa hueca, el tamaño del espacio determina la fuerza de la respuesta plasmónica. Si el espacio es suficientemente pequeño, el túnel cuántico a través del espacio permite que los plasmones resuenen como si el núcleo y la capa fueran una sola partícula, cambiando drásticamente su respuesta. Crédito:Vikram Kulkarni / Rice University
Los laboratorios también caracterizaron el efecto debilitador de la oxidación natural pero autopasivante en las superficies de aluminio. "Para el hierro, el óxido atraviesa, ", Dijo Nordlander." Pero para el aluminio puro, el óxido es tan duro e impermeable que una vez que se forma una lámina de óxido de tres nanómetros, el proceso se detiene ". Para demostrarlo, los investigadores dejaron sus discos expuestos al aire libre durante tres semanas antes de volver a probar y encontraron que su respuesta no había cambiado.
"La razón por la que usamos oro y plata en nanociencia es que no se oxidan. Pero finalmente, con aluminio, la naturaleza nos ha dado algo que podemos explotar, "Dijo Nordlander.
El segundo artículo de Nordlander y su grupo predice efectos cuánticos en el aluminio plasmónico que son más fuertes que los de una estructura análoga de oro cuando están en forma de nanomatryushka, nanopartículas multicapa que llevan el nombre de las famosas muñecas de anidación rusas. Nordlander descubrió que los efectos de la mecánica cuántica en estos materiales están fuertemente relacionados con el tamaño del espacio entre la capa y el núcleo. El artículo apareció recientemente en la revista ACS. Nano letras .
"Además de ser un material económico y sintonizable, exhibe efectos de la mecánica cuántica a mayor, rangos más accesibles y precisos que el oro o la plata, ", Dijo Nordlander." Vemos esto como un documento fundamental ".
Nordlander utilizó simulaciones por computadora para investigar las discrepancias entre el electromagnetismo clásico y la mecánica cuántica, y precisamente donde las dos teorías divergen tanto en nanomatryushkas de oro como de aluminio. "El aluminio exhibe un comportamiento mucho más cuántico en un tamaño de espacio dado que el oro, ", dijo." Básicamente, para espacios muy pequeños, todo está en el reino cuántico (donde gobiernan las fuerzas subatómicas), pero a medida que haces la brecha más grande, el sistema pasa a la física clásica ".
Por pequeño, Nordlander significa muy por debajo de un nanómetro (una milmillonésima parte de un metro). Con el espacio entre el núcleo y la cáscara en una nanomatryushka de oro de aproximadamente medio nanómetro, él y el autor principal Vikram Kulkarni, un estudiante graduado de Rice, Los electrones encontrados adquirieron la capacidad de hacer un túnel de una capa a otra en la nanopartícula. Una brecha 50 por ciento más grande en el aluminio permitió el mismo efecto cuántico. En ambos casos, el túnel cuántico a través del espacio permitió que los plasmones resonaran como si el núcleo y la capa fueran una sola partícula, mejorando drásticamente su respuesta.
Los cálculos deberían ser de gran interés para quienes usan nanopartículas como sondas en espectroscopía Raman, donde los túneles cuánticos entre partículas pueden amortiguar los campos eléctricos y desechar los cálculos clásicos, él dijo.
Nordlander señaló que el algoritmo de Kulkarni permitió al equipo ejecutar uno de los cálculos de plasmónicos cuánticos más grandes jamás realizados. Utilizaron el poder de la supercomputadora BlueBioU de Rice para rastrear una gran cantidad de electrones. "Es fácil hacer un seguimiento de dos niños, pero imagina si tuvieras más de un millón, " él dijo.
Los autores principales de "Aluminio para plasmónicos" son los estudiantes graduados de Rice Mark Knight y Nicholas King. Los coautores incluyen al estudiante de posgrado Lifei Liu y Henry Everitt, un científico jefe del Laboratorio de Investigación Charles Bowden del Ejército de los EE. UU., Arsenal de Redstone, Ala., y profesor adjunto en la Universidad de Duke. La investigación fue apoyada por la Fundación Robert A. Welch, la Beca de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de Seguridad Nacional, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, el Programa de Instrumentación de Investigación Importante de la Fundación Nacional de Ciencias, el programa de investigación independiente del laboratorio interno del Ejército y la Oficina de Investigación del Ejército.
Ex alumno de Rice Emil Prodan, profesor asistente de física en la Universidad Yeshiva, Nueva York, es coautor de "Plasmónica cuántica:propiedades ópticas de un nanomatryushka".
