Des nano-îlots de ruthénium adhèrent à une nanoparticule d'aluminium. Les scientifiques de l'Université Rice et leurs collègues de l'Université de Cambridge ont combiné des nanoparticules d'aluminium et des particules métalliques plus petites pour créer des nanostructures plasmoniques polyvalentes. Crédit :Sadegh Yazdi/Université du riz
Pépites d'or individuelles à l'échelle nanométrique, le cuivre, aluminium, l'argent et d'autres métaux qui captent l'énergie de la lumière et la mettent au travail sont employés par les scientifiques de l'Université Rice qui ont découvert un moyen de construire des structures multifonctionnelles à l'échelle nanométrique.
Les structures ont un noyau en aluminium et sont parsemées d'îlots métalliques encore plus petits. Les matériaux entretiennent tous des résonances plasmoniques de surface localisées, oscillations collectives des électrons à l'intérieur de la nanostructure qui s'activent lorsque la lumière frappe la particule.
Ces oscillations à l'échelle nanométrique de la densité électronique peuvent alimenter des réactions chimiques et même alimenter des catalyseurs favorisant les réactions.
La technique développée dans les laboratoires des scientifiques des matériaux Rice, Emilie Ringe et Naomi Halas, utilise des nanocristaux d'aluminium comme base pour des îlots de métaux de transition à taille ajustable qui permettent des résonances plasmoniques de surface localisées. L'aluminium est un matériau plasmonique efficace, mais l'ajout de particules catalytiques plus petites provenant de trois colonnes du tableau périodique améliore la capacité de la structure à promouvoir des réactions chimiques entraînées par l'énergie de la lumière, comme le montre une précédente collaboration entre les groupes Halas et Ringe.
La technique permet une chimie de surface et une réactivité personnalisables dans un seul matériau, les chercheurs ont dit. Il pourrait être utile pour la photocatalyse, spectroscopie augmentée de surface et plasmonique quantique, l'étude des propriétés quantiques de la lumière et de leur interaction avec les nanoparticules.
La recherche apparaît dans la revue American Chemical Society ACS Nano .
Les chercheurs ont déclaré que leur technique générale de polyol peut être utilisée pour combiner plusieurs matériaux dans un simple, processus contrôlable.
Des chercheurs de l'Université Rice et de l'Université de Cambridge ont fabriqué et caractérisé des nanostructures d'aluminium décorées d'« îlots » de divers métaux de transition (ci-dessus, palladium et ruthénium). La plasmonique polyvalente permet une chimie de surface et une réactivité personnalisables dans des nanostructures à un seul matériau. Crédit :Rowan Leary/Université de Cambridge
L'étudiant diplômé de Rice et auteur principal Dayne Swearer et ses collègues ont utilisé une méthode synthétique en deux étapes qui a commencé par la réduction d'un précurseur d'aluminium en particules d'aluminium purifié entre 50 et 150 nanomètres de large. Ils ont suspendu les particules dans de l'éthylène glycol, a ajouté un précurseur de sel métallique et a fait bouillir la solution pour réduire les sels qui ont finalement nucléé et se sont transformés en nano-îlots qui ont décoré la surface des nanocristaux d'aluminium d'origine.
Les chercheurs ont découvert à l'aide d'un microscope électronique qu'une couche d'oxyde d'aluminium natif de 2 à 4 nanomètres séparait le nanocristal d'aluminium et les nano-îlots catalytiques. En outre, en collaboration avec Rowan Leary et Paul Midgley, scientifiques des matériaux à l'Université de Cambridge, l'équipe a pu utiliser la tomographie électronique pour identifier la taille et l'emplacement de plus de 500 nano-îlots de ruthénium individuels sur un seul nanocristal d'aluminium.
« La géométrie naturelle à l'échelle nanométrique de ces nouveaux matériaux est vraiment passionnante, " Jura dit. " Parce qu'une fine couche d'oxyde d'aluminium sépare les deux matériaux, nous pouvons ajuster indépendamment leurs propriétés pour répondre à nos besoins dans les applications futures."
Le laboratoire a utilisé la méthode pour décorer des nanocristaux d'aluminium avec du fer, cobalt, nickel, ruthénium rhodié, platine, palladium et iridium. Les îles étaient aussi petites que 2 nanomètres de large et aussi grandes que 15 nanomètres.
Des dispositifs sur mesure qui couplent aluminium et îlots plasmoniques faciliteront le déclenchement des réactions recherchées, dit Ringe.
En 2016, l'équipe a montré que des nanocristaux d'aluminium décorés d'îlots de palladium, fait en utilisant une méthode différente, pourraient être utilisés pour des hydrogénations sélectives lorsqu'ils sont exposés à la lumière qui n'étaient pas possibles lorsqu'ils étaient simplement chauffés dans l'obscurité. "Nous espérons qu'avec cette nouvelle, vaste bibliothèque de nanomatériaux similaires, de nombreux nouveaux types de réactions chimiques auparavant inaccessibles deviendront possibles, " Jura dit.
La petite taille des îlots les rend plus aptes à absorber la lumière que les nanoparticules plus grosses et les rend également plus aptes à produire des électrons chauds et à les injecter dans des molécules cibles pour la catalyse, il a dit.
"La synthèse pourrait être utilisée pour faire des combinaisons encore plus élaborées de métaux et de semi-conducteurs du tableau périodique, " Swearer a déclaré. "Chaque nouvelle combinaison de matériaux a le potentiel d'être explorée pour plusieurs applications."
