Lys giver træk til fremtidig nanokatalysatormåling

Rice University nanofotonik forsker Isabell Thomann bruger lasere, lysaktiverede materialer og lysmålende nanoskala tips til at skubbe grænserne for eksperimentel nanovidenskab, men lyset trækker i hendes seneste undersøgelse.

I et nyt papir i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver , Thomann og kolleger, herunder postdoc-stipendiat Thejaswi Tumkur og kandidatstuderende Xiao Yang, kombinere eksperiment og teori for at teste en ny teknik kaldet "foto-induceret kraftmikroskopi, " som undersøger de optiske egenskaber af nanomaterialer ved at måle den fysiske kraft, der påføres af lys.

Thomanns primære forskning fokuserer på at bruge nanopartikler og sollys til at reducere CO2-fodaftrykket fra kraftværker. Værket krydser grænser for kemi, optik, Elektroteknik, energi og miljø, men et stort fokus er fotokatalyse, en klasse af processer, hvor lys interagerer med højteknologiske materialer for at drive kemiske reaktioner.

"Mange eksperimenter i dag udføres under højvakuum, men jeg vil køre reaktoren i mit laboratorium under mere realistiske forhold - normal temperatur, normalt tryk, i nærværelse af vand - det vil gælde for at fange sollys til fotokatalyse, sagde Thomann, en assisterende professor i elektro- og computerteknik, af materialevidenskab og nanoteknik og af kemi hos Rice.

Thomann har arbejdet på at udvikle nye værktøjer til måling af nanomaterialer, siden hun ankom til Rice i 2012. Hun og hendes team er ved at udvikle et ultrahurtigt laserspektroskopisystem, der kan aflæse de optiske signaturer af kortvarige kemiske processer, der er relevante for kunstig fotosyntese.

"I en kemisk reaktion, der er reaktanter, som er de kemiske input, og der er produkter, som er udgangene, " sagde Thomann. "Næsten alle reaktioner drevet af lys involverer flere trin, hvor lys omdannes til kvantepartikler såsom elektroner eller fononer, der skal transporteres til overflader for at drive kemiske reaktioner. Det er meget nyttigt at vide præcis, hvad disse er, hvornår de er lavet og i hvilken mængde, især hvis du optimerer en proces til industriel brug."

Thomanns gruppe designer lysaktiverede nanopartikler, der kan fange energi fra sollys og bruge det til at igangsætte kemiske reaktioner. Nanokatalysatorerne, som kan være små stænger eller skiver af metal eller andre materialer, interagerer med lys, delvis på grund af deres former og hvor tæt de er placeret. Thomann sagde, at mens ingeniører gør alt for at producere ensartede partikler, små ufuldkommenheder eksisterer stadig og kan have betydelige konsekvenser for ydeevnen.

"Fotokatalysatorer er ofte heterogene, hvilket betyder, at de ikke alle er helt ens, og vi har brug for bedre værktøjer til at undersøge dem med høj rumlig opløsning for at se disse små forskelle, " sagde hun. "Vi er også nødt til at følge reaktionsprocesserne med høj tidsmæssig opløsning, og vi ønsker at gøre alt dette med meget bedre rumlig opløsning, end der kan opnås med et normalt optisk mikroskop."

I de foton-inducerede kraftmikroskopiske eksperimenter, Thomanns team brugte en lille spids fra et atomkraftmikroskop (AFM) til at forbedre den rumlige opløsning af målinger taget fra guld nanorods og nanodiscs på glasoverflader. Stængerne og skiverne, som er mindre end bølgelængden af ​​lys, der bruges til at måle dem, ville normalt være sløret i et optisk mikroskop på grund af en fysisk egenskab kaldet diffraktionsgrænsen. For bedre at løse nanopartiklerne, og de elektromagnetiske vekselvirkninger mellem dem, Thomanns gruppe skinner lys på partiklerne og bruger en AFM-spids til at undersøge, hvordan disse nanopartikler fungerer som optiske nanoantenner og koncentrerer lyset.

"Hvis vi prøvede at måle det reflekterede lys, it would be very difficult because there are only a few scattered photons against a very busy background where light is bouncing all over the place, especially if these measurements were carried out in a liquid environment, " Thomann said. "But we are instead measuring the force exerted on the AFM tip, the slight pull on the tip when the optical nanoantennas are illuminated by light. It turns out that measuring the force is a much more sensitive technique than trying to collect the few photons scattered off the tip."

Thomann said the study provides theoretical understanding of how photo-induced force microscopy works and lays the groundwork for future studies of more complex photocatalyst materials her team hopes to create in the future. She credited her group's improved understanding of the force-measuring technique to months of hard work by co-author Xiao Yang, a Rice graduate student in the group of theoretical physicist and study co-author Peter Nordlander.

Yang said the most difficult part of coming up with an explanation of the team's experimental results was creating a solvable computational model that accurately described the real-world physics. For eksempel, including the entire tip in the model made the mathematics impractical.

"I did try, i første omgang, but it turned out it was impossible, " Yang said. "It would have taken an infinite time to reach convergence of the simulations."

Yang eventually hit upon an idea—including just a portion of the tip in the model—that made the calculations both feasible and accurate. Thomann said this was just one example of Yang's tenacity in finding a workable solution.

"He is exactly the kind of graduate student we want:knowledgeable, hard-working and unwilling to quit in the face of adversity, " hun sagde.