(Phys.org) —Humble aluminiums plasmoniska egenskaper kan göra det mycket mer värdefullt än guld och silver för vissa tillämpningar, enligt ny forskning från forskare vid Rice University.

Eftersom aluminium, som nanopartiklar eller nanostrukturer, visar optiska resonanser över ett mycket bredare område av spektrumet än antingen guld eller silver, det kan vara en bra kandidat för att skörda solenergi och för andra stora optiska enheter och material som skulle vara för dyra att producera med ädelmetaller eller myntmetaller.

Tills nyligen, aluminium hade ännu inte setts som användbart för plasmoniska tillämpningar av flera skäl:det oxiderar naturligt, och vissa studier har visat dramatiska avvikelser mellan den resonanta "färgen" av tillverkat nanostrukturerat aluminium och teoretiska förutsägelser.

Det kombinerade arbetet med två rislaboratorier har behandlat vart och ett av dessa hinder i ett par nya publikationer.

Ett papper från laboratorierna till risforskarna Naomi Halas och Peter Nordlander, "Aluminium för Plasmonics, "visar att färgen på aluminium nanopartiklar inte bara beror på deras storlek och form, men också kritiskt på deras oxidinnehåll. De har visat att faktiskt, färgen på en aluminium nanopartikel ger direkt bevis på mängden oxidation av själva aluminiummaterialet. Papperet visas i American Chemical Society (ACS) tidskrift ACS Nano .

Tillverkning av ren aluminium nanopartiklar har varit en vägspärr i deras utveckling för plasmonik, men Halas-labbet skapade en rad skivformade partiklar från 70 till 180 nanometer i diameter för att testa deras egenskaper. Forskarna fann att medan guldnanopartiklarnas plasmoner ger resonans i synliga våglängder från 550 till 700 nanometer och silver från 350 till 700, aluminium kan nå in i ultraviolett, till cirka 200 nanometer.

Laboratorierna karakteriserade också den försvagande effekten av naturligt förekommande men självpassiverande oxidation på aluminiumytor. "För järn, rost går rakt igenom, "Nordlander sa." Men för rent aluminium, oxiden är så hård och ogenomtränglig att när du väl har bildat ett ark med tre nanometer oxid, processen stannar. "För att bevisa det, forskarna lämnade sina skivor utsatta för friluft i tre veckor innan de testade igen och fann deras svar oförändrat.

"Anledningen till att vi använder guld och silver inom nanovetenskap är att de inte oxiderar. Men slutligen, med aluminium, naturen har gett oss något vi kan utnyttja, "Sa Nordlander.

Den andra uppsatsen av Nordlander och hans grupp förutspår kvanteffekter i plasmoniskt aluminium som är starkare än de i en analog guldstruktur när de är i form av en nanomatryushka, flerskiktade nanopartiklar uppkallade efter de berömda ryska häckdockorna. Nordlander upptäckte att de kvantmekaniska effekterna i dessa material är starkt kopplade till storleken på gapet mellan skalet och kärnan. Tidningen publicerades nyligen i ACS -tidningen Nano bokstäver .

"Förutom att vara ett billigt och avstämbart material, den uppvisar kvantmekaniska effekter vid större, mer tillgängliga och mer exakta intervall än guld eller silver, "Nordlander sa." Vi ser detta som en grundartikel. "

Nordlander använde datasimuleringar för att undersöka skillnaderna mellan klassisk elektromagnetik och kvantmekanik, och just där de två teorierna skiljer sig åt i både guld och aluminium nanomatryushkas. "Aluminium uppvisar mycket mer kvantbeteende vid en given gapstorlek än guld, "sa han." I grund och botten för mycket små luckor, allt finns i kvantområdet (där subatomära krafter härskar), men när du gör klyftan större, systemet vänder sig till klassisk fysik. "

I det lilla, Nordlander betyder långt under en enda nanometer (en miljarddels meter). Med gapet mellan kärna och skal i en guld -nanomatryushka på ungefär en halv nanometer, han och huvudförfattaren Vikram Kulkarni, en doktorand i ris, hittade elektroner fick förmågan att tunnla från ett lager till ett annat i nanopartikeln. Ett 50 procent större gap i aluminium tillät samma kvanteffekt. I båda fallen, kvanttunnel genom gapet tillät plasmoner att resonera som om kärnan och skalet var en enda partikel, dramatiskt förstärker deras svar.

Beräkningarna bör vara av stort intresse för dem som använder nanopartiklar som sonder i Raman -spektroskopi, där kvanttunnel mellan partiklar kan dämpa elektriska fält och slänga bort klassiska beräkningar, han sa.

Nordlander noterade att Kulkarnis algoritm tillät laget att köra en av de största kvantplasmonikberäkningarna som någonsin utförts. De använde kraften i Rices BlueBioU -superdator för att spåra ett stort antal elektroner. "Det är lätt att hålla koll på två barn, men tänk om du hade mer än en miljon, " han sa.

Huvudförfattare till "Aluminium for Plasmonics" är Rice -doktorander Mark Knight och Nicholas King. Medförfattare inkluderar doktoranden Lifei Liu och Henry Everitt, en chefsvetare vid den amerikanska arméns Charles Bowden Research Lab, Redstone Arsenal, Ala., och adjungerad professor vid Duke University. Forskningen stöddes av Robert A. Welch Foundation, National Security Science and Engineering Faculty Fellowship, flygvapenkontoret för vetenskaplig forskning, National Science Foundations stora forskningsinstrumentprogram, arméns egna laboratorieoberoende forskningsprogram och arméns forskningskontor.

Risalumn Emil Prodan, en biträdande professor i fysik vid Yeshiva University, New York, är medförfattare till "Quantum Plasmonics:Optical Properties of a Nanomatryushka."