Varme huller er nøglen til en plasmoninduceret reaktion af iltmolekyler på sølvoverflader

Kemikere hos RIKEN har opdaget, hvorfor lysende sølv -nanopartikler får iltmolekyler på deres overflader til at bryde af. Denne indsigt vil hjælpe forskere med at designe nye katalysatorer, der udnytter lysenergi.

Når metal nanopartikler belyses af lys, molekyler knyttet til dem reagerer hurtigere end normalt eller deltager i reaktioner, de normalt ikke ville gennemgå. Sådanne lysdrevne reaktioner er en lovende måde at omdanne sollys til kemisk energi, men deres ansøgning bliver holdt tilbage på grund af det faktum, at ingen er helt sikker på, hvordan de sker.

Det, der er kendt, er, at skinnende lys ved en metal -nanopartikel ophidser ledningselektronerne i metallet, får dem til at danse synkroniseret med hinanden. Disse lokaliserede overfladeplasmoner, som de kaldes, intensivere det elektriske felt tæt på nanopartiklen. Et par femtosekunder senere (et femtosekund =10 ⁻¹⁵ sekund), en energisk ('varm') elektron og et hul (en manglende elektron) dannes i nanopartiklen. Endelig, plasmon forfalder, frigiver varme.

Fordi denne række begivenheder sker meget hurtigt i en lille skala, det er ekstremt svært at bestemme hvilket aspekt - det forbedrede elektriske felt af overfladeplasmon, de varme elektroner og huller, eller varmen-spiller den største rolle i en bestemt lysinduceret reaktion.

Nu, Emiko Kazuma ved RIKEN Surface and Interface Science Laboratory og hendes kolleger har vist, at i tilfælde af iltmolekyler adsorberet på sølvoverflader, den kritiske faktor er de varme elektroner og huller, hvor hullerne bidrager meget mere end elektronerne. Knyttet til dette, de fandt ud af, at den elektroniske struktur af det adsorberede molekyle er en af ​​de vigtigste faktorer ved bestemmelse af reaktionsmekanismen.

For at gøre disse fund, holdet brugte et scannende tunnelmikroskop (STM) til både at afbilde enkelte iltmolekyler på sølvoverfladerne og fremkalde reaktionen ved at spændende et overfladeplasmon ved mellemrummet mellem sølvoverfladen og en guld STM -spids med let bestråling. Evnen til at forestille sig enkelte molekyler var afgørende for deres succes. "Næsten alle de grupper, der arbejder inden for plasmoniske reaktioner, bruger makroskopiske teknikker såsom gaskromatografi og infrarød spektroskopi, der måler gennemsnitlige parametre, "siger Kazuma." Men fordi plasmoner er stærkt lokaliseret nær metaloverfladen, vi ønskede at visualisere reaktionen i det lille område for at afdække mekanismen. "

Teamet agter at bruge deres fund til at manipulere reaktionsvejen. "Indtil nu, vores undersøgelser har fokuseret på at afsløre reaktionsmekanismen, men i det næste trin vil vi forsøge at kontrollere reaktionen, der indstiller den elektroniske struktur af det adsorberede molekyle, "siger Kazuma.