Forskere skaber ny nanokomposit af guld og titaniumoxid

Oxider af forskellige metaller tjener ofte som fotokatalysatorer i forskellige systemer såsom luftrensning, reaktioner af vandnedbrydning og endda ved fremstilling af selvrensende overflader til glas og spejle. De fysisk-kemiske egenskaber af sådanne materialer kan forbedres ved at tilføje nanopartikler, som gør et almindeligt oxid til et nanomateriale med nye muligheder. For at udføre dette med succes, imidlertid, det er nødvendigt at forstå de processer, der foregår, når en nanokomposit dannes, og at kunne kontrollere dem. ITMO University-forskere har sammen med deres kolleger fra Frankrig og USA demonstreret, hvordan en femtosekundlaser kan bruges til at tune strukturen og nanokompositegenskaberne for titaniumdioxidfilm fyldt med guldnanopartikler. Papiret blev offentliggjort i ACS Journal of Physical Chemistry C .

For noget tid siden, videnskabsmænd og ingeniører skabte en række specielle materialer, der er i stand til at accelerere kemiske processer, når de udsættes for lys. Disse opdagelser har store konsekvenser for industrien - sådanne materialer kan bruges i en lang række forskellige enheder, fra luftrensere til brændselsceller. Et sådant lovende materiale er titaniumdioxid, som kan infunderes med guld nanopartikler for at forbedre dets fotokatalytiske egenskaber. Forskning på dette område udføres af forskere fra ITMO University.

Faktisk, fremstilling af sådanne kompositmaterialer er fortsat udfordrende. Tynde film af titaniumdioxid og guld nanopartikler kan fremstilles separat, men metoden til at kombinere disse to komponenter er endnu ikke fastlagt. Der er visse vanskeligheder med at placere nanopartikler inde i oxidfilmene, og det er endnu sværere at kontrollere deres størrelse og fordeling. En international gruppe af forskere, inklusive dem fra ITMO University, har foreslået at bruge laserstråling for at nå dette mål. "Hvis vi udsætter disse materialer for laserstråling, både guldpartiklerne og titaniumdioxidmatricerne omkring dem ændrer deres egenskaber, "forklarer Maksim Sergeev, en forskningsmedarbejder ved ITMO.

Forskerne fra ITMO University og Hubert Curien Laboratory har udført et eksperiment, hvor tynde film af poriferøst titaniumdioxid blev imprægneret med guldioner, der hurtigt dannede partikler på en skala fra nogle få nanometer. Derefter, materialet blev udsat for laserstråling. Det viste sig, at med den korrekt valgte femtosekund laserbestråling, det er muligt effektivt at kontrollere væksten af ​​nanopartikler uden at beskadige materialet. For eksempel, hvis laseren bevæger sig med meget lav hastighed, hulrum kan dannes omkring de nyvoksne nanopartikler i titandioxidfilmen.

"Sammen med forskere fra University of Arizona udviklede vi en model til at forklare denne effekt, som hjalp os med at bestemme temperaturfeltet i materialet, når det blev udsat for laserstråling. Modellen betragtede resonansabsorption på metalpartikler, lokal feltforbedring, fotoinduceret generering af ubundne elektroner, og fotoemission. Materialet viste sig at varme mere, når det indeholdt både mindre og større partikler, selvom dens temperatur stadig ikke var høj nok til at smelte eller ødelægge materialet for de korrekt valgte laserparametre, " uddyber Tatiana Itina, Forskningsdirektør ved Hubert Curien-laboratoriet i det franske nationale center for videnskabelig forskning.

Som et resultat af både eksperimenter og simuleringer, forskerne kan nu bedre forstå mekanismerne bag dannelsen af ​​nanokompositfilm og få flere muligheder for at kontrollere deres egenskaber. Brug af lasere til disse formål vil forenkle produktionen af ​​sådanne "forgyldte" titaniumdioxidfilm, hvilket vil gøre det lettere at implementere dem i industrien. Lige nu, imidlertid, teknologien er langt fra klar, og yderligere undersøgelser er i gang.