Kemikere manipulerer kvantetilstande af guld nanoclusters

Forskere fra Carnegie Mellon University's Department of Chemistry har fundet en måde at kontrollere levetiden af ​​guldnanoklyngernes kvantetilstande med tre størrelsesordener, hvilket kan føre til forbedringer i solcelle- og fotokatalyseteknologier. Deres undersøgelse er offentliggjort i 18. april -udgaven af Videnskab .

Ophidsede kvantetilstande opstår, når lys absorberes af en partikel, og energien fra dette lys er midlertidigt lagret i partiklen, gør dens energi højere end dens grundtilstand. Energien henfalder hurtigt og kan gå tabt som varme i løbet af et nanosekund, eller en milliarddel af et sekund. Udvidelse af denne kvantetilstand kan give forskere mere tid og mulighed for at udnytte den lagrede energi.

Carnegie Mellon kemiprofessor Rongchao Jin er verdenskendt for at udvikle guld-nanopartikler af præcis størrelse. I denne forlængelse af sit arbejde, post-doc forsker Meng Zhou og ph.d. studerende Tatsuya Higaki, som er medforfattere af papiret, undersøgt atomært præcise guld-nanoklynger indeholdende mellem 30 og 38 atomer. De ændrede strukturerne af klynger ved at omarrangere atomerne i eksotiske konfigurationer og beskytte dem med en dækningsligand.

Forskerne målte levetiden for nanoclusternes kvantetilstande ved at bruge femtosekund og nanosekund tidsopløst spektroskopi til at tage snapshots af nanoclusterne fra det tidspunkt, hvor de absorberede energi fra lys, i dette tilfælde en femtosekund laserpuls, indtil de frigav energien. Samarbejdspartnere ved University of California, Riverside bekræftede resultaterne ved hjælp af beregninger af densitetsfunktionsteori til at analysere nanoklusters molekylære orbitaler.

De fandt ud af, at et 30-atom guld nanokluster, med en sekskantet tætpakket (hcp) struktur, havde en kvantelevetid på et nanosekund. Men en 38-atom guld nanocluster med en kropscentreret kubisk (bcc) struktur havde en meget længere levetid på 4,7 mikrosekunder. Forlængelse af levetiden med tre størrelser giver forskerne rigelig tid til at udvinde den absorberede lysenergi fra nanoclusterne - et fund, der har betydelige implikationer.

"Strategien med at manipulere levetiden i den exciterede tilstand fra meget kort til meget lang er spændende. Den usædvanligt lange kvantelevetid på 4,7 mikrosekunder kan sammenlignes med den for bulk silicium, som bruges til kommercielle solceller, " sagde Jin. "Det burde give os nok tid til effektivt at udtrække energien til eksterne kredsløb som en elektronisk strøm uden at miste for meget energi til at varme."

Den skræddersyede kvantelevetid kan også bruges til at øge effektiviteten af ​​synligt lys-baseret fotokatalyse, der bruges til at omdanne solenergilagring til kemikalier, såsom at omdanne methanol og ethanol fra kuldioxid.