Individuella guldklumpar i nanoskala, koppar, aluminium, silver och andra metaller som fångar ljusets energi och sätter det i arbete används av Rice University-forskare som har upptäckt ett sätt att bygga multifunktionella strukturer i nanoskala.

Strukturerna har en aluminiumkärna och är prickade med ännu mindre metalliska öar. Materialen upprätthåller alla lokaliserade ytplasmonresonanser, kollektiva svängningar av elektronerna inuti nanostrukturen som aktiveras när ljus träffar partikeln.

Dessa nanoskaliga oscillationer i elektrondensitet kan driva kemiska reaktioner och till och med driva reaktionsfrämjande katalysatorer.

Tekniken som utvecklats i laboratoriet av Rice-materialforskarna Emilie Ringe och Naomi Halas använder nanokristaller av aluminium som bas för storleksinställbara övergångsmetallöar som möjliggör lokaliserade ytplasmonresonanser. Aluminium är ett effektivt plasmoniskt material, men att lägga till mindre katalytiska partiklar från tre kolumner i det periodiska systemet förbättrar strukturens förmåga att främja kemiska reaktioner som drivs av ljusets energi, som framgår av ett tidigare samarbete mellan Halas- och Ringegrupperna.

Tekniken möjliggör anpassningsbar ytkemi och reaktivitet i ett material, sa forskarna. Det kan vara användbart för fotokatalys, ytförbättrad spektroskopi och kvantplasmonik, studiet av ljusets kvantegenskaper och hur de interagerar med nanopartiklar.

Forskningen visas i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

Forskarna sa att deras allmänna polyolteknik kan användas för att kombinera flera material i en enkel, kontrollerbar process.

Rice doktorand och huvudförfattare Dayne Swearer och hans kollegor använde en tvåstegs syntetisk metod som började med reduktionen av en aluminiumprekursor till renade aluminiumpartiklar mellan 50 och 150 nanometer breda. De suspenderade partiklarna i etylenglykol, tillsatte en metallsaltprekursor och kokade lösningen för att minska de salter som så småningom bildade kärnor och växte till nanoöar som dekorerade ytan på de ursprungliga nanokristallerna av aluminium.

Forskarna fann med hjälp av ett elektronmikroskop att ett 2- till 4-nanometers naturligt aluminiumoxidskikt separerade aluminiumnanokristallerna och katalytiska nanoöarna. Dessutom, i samarbete med Rowan Leary och Paul Midgley, materialvetare vid Cambridge University, teamet kunde använda elektrontomografi för att identifiera storleken och platsen för mer än 500 individuella ruteniumnano-öar på en enda aluminiumnanokristall.

"Den naturligt förekommande geometrin i nanoskala hos dessa nya material är verkligen spännande, "Svarer sa. "Eftersom ett tunt lager av aluminiumoxid separerar de två materialen, vi kan självständigt trimma deras egenskaper för att passa våra behov i framtida applikationer."

Labbet använde metoden för att dekorera nanokristaller av aluminium med järn, kobolt, nickel, rutenium rodium, platina, palladium och iridium. Öarna var så små som 2 nanometer breda och så stora som 15 nanometer.

Specialdesignade enheter som kopplar samman aluminium- och plasmoniska öar kommer att göra eftertraktade reaktioner lättare att utlösa, sa Ringe.

2016, teamet visade att nanokristaller av aluminium dekorerade med palladiumöar, gjort med en annan metod, skulle kunna användas för selektiva hydreringar när de utsätts för ljus som inte var möjliga när de bara värmdes upp i mörker. "Vi hoppas att med detta nya, omfattande bibliotek av liknande nanomaterial, många nya typer av tidigare otillgängliga kemiska reaktioner kommer att bli möjliga, " sa Swearer.

Öarnas ringa storlek gör dem bättre på att absorbera ljus än större nanopartiklar och gör dem också bättre på att producera heta elektroner och injicera dem i målmolekyler för katalys, han sa.

"Syntesen skulle kunna användas för att göra ännu mer utarbetade kombinationer av metaller och halvledare från det periodiska systemet, "Svarer sa. "Varje ny materialkombination har potential att utforskas för flera tillämpningar."