Forskare från Rice University har syntetiserat och isolerat plasmoniska magnesiumnanopartiklar som visar alla löften om sitt guld, kusiner av silver och aluminium utan några av nackdelarna.

Materialforskaren Emilie Ringe i rislabbet producerade partiklarna för att testa deras förmåga att avge plasmoner, de spöklika elektronbanden som, när den utlöses av energi utifrån, krusning över ytan av vissa metaller.

Forskningen visas i American Chemical Society journal Nano bokstäver .

Plasmoniska material är värdefulla eftersom de kan koncentrera ljus och pressa dess kraft i nanoskala volymer, en användbar egenskap för kemiska och biologiska sensorer. De kan också användas som fotokatalysatorer och för medicinska applikationer där de kan, till exempel, rikta mot cancerceller och triggas för att avge värme för att förstöra dem.

Men guld och silver är dyra. "De är bara inte överkomliga om du försöker göra billiga saker i mycket stor skala, som industriell katalys, sa Ringe, en biträdande professor i materialvetenskap och nanoingenjör och kemi vid Rice.

"Vi har varit väldigt glada över aluminium, eftersom det är ett av de enda plasmoniska materialen som finns på jorden, men det har en kritisk brist, "sa hon." Dess inneboende egenskaper betyder att det är en bra plasmonisk i ultraviolett område, men inte lika bra i det synliga och dåliga i det infraröda. Det är inte så bra att du vill fotokatalysera med solen. "

Dessa begränsningar sätter scenen för Ringe labs undersökning av också rikligt med magnesium. "Det kan resonera över det infraröda, synliga och ultravioletta områden, "sa hon." Folk har pratat om det, men ingen har riktigt kunnat göra och titta på de optiska egenskaperna hos enstaka kristaller av magnesium. "

Försök från andra laboratorier att tillverka magnesiumstrukturer visade sig vara svåra och gav nanopartiklar med dålig kristallinitet, så Ringe och medförfattare John Biggins från University of Cambridge, England, och Rice postdoktor Sadegh Yazdi kombinerade sina talanger inom kemi, spektroskopi och teori för att syntetisera nanokristaller i vätska och analysera dem med Rices kraftfulla elektronmikroskop.

Det de producerade var nanoskala kristaller som perfekt återspeglade den sexkantiga naturen hos deras underliggande gitter. "Detta ger oss en möjlighet, "sa hon." Silver, guld och aluminium, alla metaller vi är vana att arbeta med på nanoskala, är ansiktscentrerade kubiska material. Du kan göra kuber och stavar och saker som har den underliggande strukturens symmetri.

"Men magnesium har ett sexkantigt galler, "Sa Ringe." Atomerna är packade annorlunda, så vi kan skapa former vi fysiskt inte kan göra med en ansiktscentrerad kubisk metall. Vi är verkligen glada över möjligheterna eftersom det betyder att vi kan skapa nya former - eller åtminstone former som inte är typiska för nanopartiklar. Och nya former betyder nya egenskaper. "

Partiklarna visade sig vara oväntat robusta, Hon sa. Labbet började med att blanda en magnesiumprekursor med litium och naftalen, skapa en kraftfull fri radikal som kan minska en organometallisk magnesiumprekursor till magnesiummetall. De resulterande partiklarna var sexkantiga plattor som varierade i storlek från 100 till 300 nanometer med en tjocklek mellan 30 och 60 nanometer.

Liksom bulkmagnesium, de fann att ett självbegränsande oxidskikt bildades runt magnesiumet som skyddade det från ytterligare oxidation utan att förändra materialets plasmoniska egenskaper. Det hjälpte till att bevara partiklarnas karaktäristiska form, som förblev stabil även tre månader efter syntesen och flera veckor i luften, Sa Ringe.

"Det är formidabelt luftstabilt, "sa hon." I början, vi tog alla försiktighetsåtgärder vi kunde, använda en handskfack för varje provöverföring, och i slutet av dagen bestämde vi oss för att bara lämna ett prov i luften, bara för att se. Vi testade det efter två veckor, och det var fortfarande detsamma.

"Vi försökte det lite för sent, för att vara ärlig, "Sa Ringe." Vi hade kunnat spara tid om vi bara hade börjat med det! "

Nästa steg blir att förstärka partiklarna med bindande molekyler som hjälper dem att ändra form, som också ställer in deras plasmoniska svar. Hon räknar med att det kommer att ta ytterligare ett års arbete.

"Huvudpunkten är att det här kommer att vara ett verktyg i plasmonics verktygslåda som kan göra saker som ingen av de andra metallerna kan göra, "Ringe sa." Ingen annan metall är billig och kan resonera över hela spektrumet. Och det går att göra, väsentligen, i en bägare. "