Nanoislas de rutenio se adhieren a una nanopartícula de aluminio. Los científicos de la Universidad Rice y sus colegas de la Universidad de Cambridge combinaron nanopartículas de aluminio y partículas metálicas más pequeñas para crear nanoestructuras plasmónicas versátiles. Crédito:Sadegh Yazdi / Rice University
Pepitas de oro a nanoescala individuales, cobre, aluminio, La plata y otros metales que capturan la energía de la luz y la ponen en funcionamiento están siendo empleados por científicos de la Universidad de Rice, quienes han descubierto una forma de construir estructuras a nanoescala multifuncionales.
Las estructuras tienen un núcleo de aluminio y están salpicadas de islas metálicas aún más pequeñas. Todos los materiales mantienen resonancias de plasmones superficiales localizados, oscilaciones colectivas de los electrones dentro de la nanoestructura que se activan cuando la luz golpea la partícula.
Estas oscilaciones a nanoescala en la densidad de electrones pueden impulsar reacciones químicas e incluso catalizadores que promueven reacciones.
La técnica desarrollada en los laboratorios de las científicas de materiales de Rice, Emilie Ringe y Naomi Halas, utiliza nanocristales de aluminio como base para islas de metales de transición ajustables por tamaño que permiten resonancias de plasmones superficiales localizados. El aluminio es un material plasmónico eficaz, pero agregar partículas catalíticas más pequeñas de tres columnas de la tabla periódica mejora la capacidad de la estructura para promover reacciones químicas impulsadas por la energía de la luz, como se muestra en una colaboración previa entre los grupos Halas y Ringe.
La técnica permite la química de la superficie y la reactividad personalizables en un material, dijeron los investigadores. Podría ser útil para fotocatálisis, espectroscopia de superficie mejorada y plasmónica cuántica, el estudio de las propiedades cuánticas de la luz y cómo interactúan con las nanopartículas.
La investigación aparece en la revista American Chemical Society ACS Nano .
Los investigadores dijeron que su técnica general de poliol se puede usar para combinar múltiples materiales de una manera simple, proceso controlable.
Investigadores de la Universidad Rice y la Universidad de Cambridge fabricaron y caracterizaron nanoestructuras de aluminio decoradas con 'islas' de varios metales de transición (arriba, paladio y rutenio). El plasmónico versátil permite una química de superficie y reactividad personalizables en nanoestructuras de un material. Crédito:Rowan Leary / Universidad de Cambridge
La estudiante graduada de Rice y autora principal, Dayne Swearer y sus colegas, utilizaron un método sintético de dos pasos que comenzó con la reducción de un precursor de aluminio a partículas de aluminio purificadas de entre 50 y 150 nanómetros de ancho. Suspendieron las partículas en etilenglicol, añadió un precursor de sal metálica y hirvió la solución para reducir las sales que finalmente se nuclearon y crecieron en nano-islas que decoraron la superficie de los nanocristales de aluminio originales.
Los investigadores encontraron usando un microscopio electrónico que una capa de óxido de aluminio nativo de 2 a 4 nanómetros separaba el nanocristal de aluminio y las nanoislas catalíticas. Adicionalmente, en colaboración con Rowan Leary y Paul Midgley, científicos de materiales en la Universidad de Cambridge, el equipo pudo utilizar la tomografía electrónica para identificar el tamaño y la ubicación de más de 500 nano-islas de rutenio individuales en un solo nanocristal de aluminio.
"La geometría a nanoescala de origen natural de estos nuevos materiales es realmente emocionante, "Swearer dijo." Debido a que una fina capa de óxido de aluminio separa los dos materiales, podemos ajustar de forma independiente sus propiedades para que se adapten a nuestras necesidades en aplicaciones futuras ".
El laboratorio utilizó el método para decorar nanocristales de aluminio con hierro, cobalto, níquel, rodio rutenio, platino, paladio e iridio. Las islas eran tan pequeñas como 2 nanómetros de ancho y tan grandes como 15 nanómetros.
Los dispositivos de diseño personalizado que acoplan islas de aluminio y plasmónicas facilitarán la activación de las reacciones más buscadas. Dijo Ringe.
En 2016, el equipo demostró que los nanocristales de aluminio decorados con islas de paladio, hecho con un método diferente, podría usarse para hidrogenaciones selectivas cuando se exponen a la luz que no eran posibles cuando simplemente se calientan en la oscuridad. "Esperamos que con esta nueva, biblioteca expansiva de nanomateriales similares, serán posibles muchos tipos nuevos de reacciones químicas previamente inaccesibles, "Dijo Swearer.
El pequeño tamaño de las islas las hace mejores para absorber luz que las nanopartículas más grandes y también las hace mejores para producir electrones calientes e inyectarlos en moléculas objetivo para catálisis. él dijo.
"La síntesis podría usarse para hacer combinaciones aún más elaboradas de metales y semiconductores de la tabla periódica, ", Dijo Swearer." Cada nueva combinación de materiales tiene el potencial de ser explorada para varias aplicaciones ".
