Des chercheurs de l'Université Rice ont synthétisé et isolé des nanoparticules de magnésium plasmonique qui montrent toutes les promesses de leur or, cousins ​​argent et aluminium sans aucun des inconvénients.

La scientifique du laboratoire Rice, Emilie Ringe, a produit les particules pour tester leur capacité à émettre des plasmons, les bandes d'électrons fantomatiques qui, lorsqu'il est déclenché par l'énergie de l'extérieur, ondulation à la surface de certains métaux.

La recherche apparaît dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

Les matériaux plasmoniques sont précieux car ils peuvent concentrer la lumière et presser sa puissance dans des volumes nanométriques, une propriété utile pour les capteurs chimiques et biologiques. Ils peuvent également être utilisés comme photocatalyseurs et pour des applications médicales dans lesquelles ils peuvent, par exemple, cibler les cellules cancéreuses et être déclenché pour émettre de la chaleur pour les détruire.

Mais l'or et l'argent sont chers. "Ils ne sont tout simplement pas abordables si vous essayez de faire des choses bon marché à très grande échelle, comme la catalyse industrielle, " dit Ringe, professeur adjoint de science des matériaux et nano-ingénierie et de chimie à Rice.

"Nous avons été vraiment enthousiasmés par l'aluminium, parce que c'est l'un des seuls matériaux plasmoniques abondants sur Terre, mais il a un défaut critique, " dit-elle. " Ses propriétés intrinsèques signifient que c'est un bon plasmonique dans la gamme ultraviolette, mais pas aussi bon dans le visible et pauvre dans l'infrarouge. Ce n'est pas si génial que vous vouliez faire de la photocatalyse avec le soleil."

Ces limitations ont ouvert la voie à l'enquête du laboratoire Ringe sur le magnésium également abondant. "Il peut résonner dans l'infrarouge, gammes visible et ultraviolette, " dit-elle. " Les gens en ont parlé, mais personne n'a vraiment été capable de fabriquer et d'examiner les propriétés optiques des monocristaux de magnésium."

Les tentatives d'autres laboratoires pour fabriquer des structures en magnésium se sont avérées difficiles et ont produit des nanoparticules avec une faible cristallinité, ainsi Ringe et les co-auteurs John Biggins de l'Université de Cambridge, Angleterre, et le boursier postdoctoral Rice Sadegh Yazdi ont combiné leurs talents en chimie, spectroscopie et théorie pour synthétiser des nanocristaux en liquide et les analyser avec le puissant microscope électronique de Rice.

Ce qu'ils ont produit étaient des cristaux à l'échelle nanométrique qui reflétaient parfaitement la nature hexagonale de leur réseau sous-jacent. "Cela nous donne une opportunité, " dit-elle. " Argent, or et aluminium, tous les métaux avec lesquels nous avons l'habitude de travailler à l'échelle nanométrique, sont des matériaux cubiques à faces centrées. Vous pouvez faire des cubes et des tiges et des objets qui ont la symétrie de la structure sous-jacente.

"Mais le magnésium a un réseau hexagonal, " dit Ringe. " Les atomes sont emballés différemment, nous sommes donc capables de créer des formes que nous ne pouvons pas physiquement créer avec un métal cubique à faces centrées. Nous sommes vraiment enthousiasmés par les possibilités car cela signifie que nous pouvons créer de nouvelles formes, ou du moins des formes qui ne sont pas typiques des nanoparticules. Et de nouvelles formes signifient de nouvelles propriétés."

Les particules se sont avérées étonnamment robustes, elle a dit. Le laboratoire a commencé par mélanger un précurseur de magnésium avec du lithium et du naphtalène, créant un puissant radical libre qui pourrait réduire un précurseur organométallique du magnésium en magnésium métal. Les particules résultantes étaient des plaques hexagonales dont la taille variait de 100 à 300 nanomètres avec une épaisseur comprise entre 30 et 60 nanomètres.

Comme le magnésium en vrac, ils ont découvert qu'une couche d'oxyde auto-limitante se formait autour du magnésium qui le protégeait d'une oxydation supplémentaire sans modifier les propriétés plasmoniques du matériau. Cela a permis de préserver la forme caractéristique des particules, qui est resté stable même trois mois après la synthèse et plusieurs semaines à l'air, dit Ringe.

"C'est formidablement stable dans l'air, " dit-elle. " Au début, nous avons pris toutes les précautions possibles, utilisation d'une boîte à gants pour chaque transfert d'échantillon, et à la fin de la journée, nous avons décidé de simplement laisser un échantillon dans l'air, juste pour voir. Nous l'avons testé après deux semaines, et c'était toujours pareil.

"Nous avons essayé un peu trop tard, pour être honnête, " dit Ringe. " Nous aurions pu gagner du temps si nous avions commencé par ça ! "

La prochaine étape sera d'améliorer les particules avec des molécules de liaison qui les aideront à changer de forme, qui ajuste également leur réponse plasmonique. Elle s'attend à ce que cela prenne une autre année de travail.

"Le point clé est que cela va être un outil dans la boîte à outils plasmonique qui peut faire des choses qu'aucun des autres métaux ne peut faire, " Ringe a déclaré. "Aucun autre métal n'est bon marché et peut résonner dans tout le spectre. Et il peut être fait, essentiellement, dans un bécher."