Lyskontrollerede reaktioner på nanoskala

Styring af stærke elektromagnetiske felter på nanopartikler er nøglen til at udløse målrettede molekylære reaktioner på deres overflader. Sådan kontrol over stærke felter opnås via laserlys. Selvom laserinduceret dannelse og brydning af molekylære bindinger på nanopartikeloverflader tidligere er blevet observeret, er nanoskopisk optisk kontrol af overfladereaktioner endnu ikke opnået. Et internationalt team ledet af Dr. Boris Bergues og Prof. Matthias Kling ved Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) og Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i samarbejde med Stanford University har nu lukket dette hul. Fysikerne bestemte for første gang placeringen af ​​lysinducerede molekylære reaktioner på overfladen af ​​isolerede siliciumdioxidnanopartikler ved hjælp af ultrakorte laserimpulser.

Der er travlhed på overfladen af ​​nanopartikler. Molekyler forankres, opløses og ændrer deres placering. Alt dette driver kemiske reaktioner, ændrer stof og giver endda anledning til nye materialer. Begivenhederne i nanokosmos kan styres ved hjælp af elektromagnetiske felter. Dette er nu blevet demonstreret af et hold ledet af Dr. Boris Bergues og Prof. Matthias Kling fra Ultrafast Electronics and Nanophotonics Group. Til dette formål brugte forskerne stærke femtosekund-laserimpulser til at generere lokaliserede felter på overfladerne af isolerede nanopartikler. Et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund.

Ved hjælp af såkaldt reaktionsnanoskopi, en ny teknik, der for nylig blev udviklet i samme gruppe, var fysikerne i stand til at afbilde reaktionsstedet og fødestedet for molekylære fragmenter på overfladen af ​​silicananopartikler - med en opløsning bedre end 20 nanometer. Den nanoskopiske rumlige kontrol, der kan opnås ved endnu højere opløsning, blev frembragt af forskerne ved at overlejre felterne af to laserimpulser med forskellig farve og kontrolleret bølgeform og polarisering. Derved skulle de indstille tidsforsinkelsen mellem de to pulser med attosekundes nøjagtighed. Et attosekund er stadig tusind gange kortere end et femtosekund. Når de interagerer med dette skræddersyede lys, blev overfladen af ​​nanopartiklerne og molekylerne adsorberet der ioniseret på målrettede steder, hvilket førte til dissociering af molekylerne i forskellige fragmenter.

"Molekylære overfladereaktioner på nanopartikler spiller en grundlæggende rolle i nanokatalyse. De kan være en nøgle til ren energiproduktion, især via fotokatalytisk vandspaltning," forklarer Matthias Kling. "Vores resultater baner også vejen for sporing af fotokatalytiske reaktioner på nanopartikler, ikke kun med nanometer rumlig opløsning, men også med femtosekund tidsopløsning. Dette vil give detaljeret indblik i overfladeprocesserne på de naturlige rumlige og tidsmæssige skalaer af deres dynamik," tilføjer Boris Bergues.

Forskerne forventer, at denne lovende nye tilgang kan anvendes på adskillige komplekse isolerede nanostrukturerede materialer. Deres undersøgelse er offentliggjort i Optica . + Udforsk yderligere

Et ultrahurtigt glimt af atmosfærens fotokemi