Os campos elétricos induzidos em modelos de computador da Rice University de nanomatryushkas de alumínio mostram que em distâncias de lacuna baixas (à esquerda), a transferência de carga entre o núcleo e a casca é tão grande, o sistema se comporta essencialmente como uma esfera sólida. Em distâncias de lacuna maiores (centro e direita), o núcleo e o invólucro mostram efeitos plasmônicos individuais mais fortes. A barra de escala mostra a intensidade do campo induzido dividido pela intensidade do campo de entrada. Crédito:Vikram Kulkarni / Rice University
(Phys.org) —As propriedades plasmônicas do alumínio humilde podem torná-lo muito mais valioso do que ouro e prata para certas aplicações, de acordo com uma nova pesquisa feita por cientistas da Rice University.
Porque o alumínio, como nanopartículas ou nanoestruturas, exibe ressonâncias ópticas em uma região muito mais ampla do espectro do que ouro ou prata, pode ser um bom candidato para a captação de energia solar e para outros dispositivos ópticos de grandes áreas e materiais que seriam muito caros para produzir com metais nobres ou de cunhagem.
Até recentemente, o alumínio ainda não tinha sido visto como útil para aplicações plasmônicas por várias razões:ele oxida naturalmente, e alguns estudos mostraram discrepâncias dramáticas entre a "cor" ressonante do alumínio nanoestruturado fabricado e as previsões teóricas.
O trabalho combinado de dois laboratórios da Rice abordou cada um desses obstáculos em duas novas publicações.
Um artigo dos laboratórios dos cientistas do Rice Naomi Halas e Peter Nordlander, "Alumínio para Plasmonics, “demonstra que a cor das nanopartículas de alumínio não depende apenas de seu tamanho e forma, mas também criticamente em seu conteúdo de óxido. Eles mostraram que, na verdade, a cor de uma nanopartícula de alumínio fornece evidência direta da quantidade de oxidação do próprio material de alumínio. O artigo foi publicado na revista American Chemical Society (ACS) ACS Nano .
A fabricação de nanopartículas de alumínio puro tem sido um obstáculo no seu desenvolvimento para plasmônicos, mas o laboratório Halas criou uma gama de partículas em forma de disco de 70 a 180 nanômetros de diâmetro para testar suas propriedades. Os pesquisadores descobriram que, embora os plasmons das nanopartículas de ouro ressoem em comprimentos de onda visíveis de 550 a 700 nanômetros e de prata de 350 a 700, o alumínio pode atingir o ultravioleta, a cerca de 200 nanômetros.
Quando uma onda eletromagnética (esquerda) atinge um nanomatryushka (centro e direita) - um núcleo sólido dentro de uma concha oca - o tamanho da lacuna determina a força da resposta plasmônica. Se a lacuna for suficientemente pequena, o tunelamento quântico através da lacuna permite que os plasmons ressoem como se o núcleo e a casca fossem uma única partícula, mudando dramaticamente sua resposta. Crédito:Vikram Kulkarni / Rice University
Os laboratórios também caracterizaram o efeito de enfraquecimento da oxidação natural, mas auto-passivante, em superfícies de alumínio. "Para ferro, ferrugem passa direto, "Nordlander disse." Mas para o alumínio puro, o óxido é tão duro e impermeável que, uma vez que você forma uma folha de óxido de três nanômetros, o processo para. "Para provar isso, os pesquisadores deixaram seus discos expostos ao ar livre por três semanas antes de testar novamente e encontraram sua resposta inalterada.
"A razão de usarmos ouro e prata na nanociência é que eles não oxidam. Mas, finalmente, com alumínio, a natureza nos deu algo que podemos explorar, "Nordlander disse.
O segundo artigo de Nordlander e seu grupo prevê efeitos quânticos no alumínio plasmônico que são mais fortes do que aqueles em uma estrutura de ouro análoga quando na forma de uma nanomatryushka, nanopartículas multicamadas com o nome das famosas bonecas russas. Nordlander descobriu que os efeitos da mecânica quântica nesses materiais estão fortemente relacionados ao tamanho da lacuna entre a casca e o núcleo. O artigo apareceu recentemente no jornal ACS Nano Letras .
“Além de ser um material barato e sintonizável, exibe efeitos de mecânica quântica em maiores, faixas mais acessíveis e mais precisas do que ouro ou prata, "Nordlander disse." Nós vemos isso como um jornal fundamental. "
Nordlander usou simulações de computador para investigar as discrepâncias entre o eletromagnético clássico e a mecânica quântica, e precisamente onde as duas teorias divergem em nanomatryushkas de ouro e alumínio. "O alumínio exibe muito mais comportamento quântico em um determinado tamanho de lacuna do que o ouro, "disse ele." Basicamente, para lacunas muito pequenas, tudo está no reino quântico (onde as forças subatômicas governam), mas conforme você aumenta a lacuna, o sistema se volta para a física clássica. "
Por pequeno, Nordlander significa bem abaixo de um único nanômetro (um bilionésimo de metro). Com a lacuna entre o núcleo e a casca em uma nanomatryushka de ouro em cerca de meio nanômetro, ele e o autor principal, Vikram Kulkarni, um estudante de pós-graduação da Rice, os elétrons encontrados ganharam a capacidade de tunelar de uma camada a outra na nanopartícula. Uma lacuna 50% maior no alumínio permitiu o mesmo efeito quântico. Em ambos os casos, o tunelamento quântico através da lacuna permitiu que os plasmons ressoassem como se o núcleo e a casca fossem uma única partícula, melhorando dramaticamente sua resposta.
Os cálculos devem ser de grande interesse para aqueles que usam nanopartículas como sondas em espectroscopia Raman, onde o tunelamento quântico entre as partículas pode amortecer os campos elétricos e desviar os cálculos clássicos, ele disse.
Nordlander observou que o algoritmo de Kulkarni permitiu à equipe executar um dos maiores cálculos de plasmônica quântica já realizados. Eles usaram o poder do supercomputador BlueBioU de Rice para rastrear um grande número de elétrons. "É fácil acompanhar duas crianças, mas imagine se você tivesse mais de um milhão, " ele disse.
Os principais autores de "Alumínio para Plasmonics" são os alunos de pós-graduação da Rice, Mark Knight e Nicholas King. Os co-autores incluem o estudante de graduação Lifei Liu e Henry Everitt, um cientista-chefe do Laboratório de Pesquisa Charles Bowden do Exército dos EUA, Redstone Arsenal, Ala., e professor adjunto da Duke University. A pesquisa foi apoiada pela Fundação Robert A. Welch, a National Security Science and Engineering Faculty Fellowship, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, o Programa de Instrumentação de Pesquisa Principal da National Science Foundation, o programa de pesquisa independente de laboratório interno do Exército e o Escritório de Pesquisa do Exército.
Emil Prodan, ex-aluno do arroz, um professor assistente de física na Yeshiva University, Nova york, é co-autor de "Quantum Plasmonics:Optical Properties of a Nanomatryushka."
