Het beheersen van sterke elektromagnetische velden op nanodeeltjes is de sleutel tot het veroorzaken van gerichte moleculaire reacties op hun oppervlakken. Een dergelijke controle over sterke velden wordt bereikt via laserlicht. Hoewel laser-geïnduceerde vorming en verbreking van moleculaire bindingen op nanodeeltjesoppervlakken in het verleden zijn waargenomen, is nanoscopische optische controle van oppervlaktereacties nog niet bereikt. Een internationaal team onder leiding van Dr. Boris Bergues en Prof. Matthias Kling van de Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) en het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) in samenwerking met Stanford University heeft dit gat nu gedicht. De natuurkundigen bepaalden voor het eerst de locatie van door licht geïnduceerde moleculaire reacties op het oppervlak van geïsoleerde siliciumdioxide-nanodeeltjes met behulp van ultrakorte laserpulsen.

Op het oppervlak van nanodeeltjes is het een drukte van belang. Moleculen dokken, lossen op en veranderen van locatie. Dit alles drijft chemische reacties aan, verandert materie en leidt zelfs tot nieuwe materialen. De gebeurtenissen in de nanokosmos kunnen worden gecontroleerd met behulp van elektromagnetische velden. Dit is nu aangetoond door een team onder leiding van Dr. Boris Bergues en Prof. Matthias Kling van de Ultrafast Electronics and Nanophotonics Group. Daartoe gebruikten de onderzoekers sterke femtoseconde-laserpulsen om gelokaliseerde velden op de oppervlakken van geïsoleerde nanodeeltjes te genereren. Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde.

Met behulp van zogenaamde reactie-nanoscopie, een nieuwe techniek die onlangs in dezelfde groep is ontwikkeld, waren de natuurkundigen in staat om de reactieplaats en geboorteplaats van moleculaire fragmenten op het oppervlak van silica-nanodeeltjes in beeld te brengen - met een resolutie beter dan 20 nanometer. De nanoscopische ruimtelijke controle, haalbaar met een nog hogere resolutie, werd door de wetenschappers tot stand gebracht door de velden van twee laserpulsen met verschillende kleuren en gecontroleerde golfvorm en polarisatie over elkaar heen te leggen. Daarbij moesten ze de tijdsvertraging tussen de twee pulsen instellen met een nauwkeurigheid van attoseconde. Een attoseconde is nog steeds duizend keer korter dan een femtoseconde. Bij interactie met dit op maat gemaakte licht werden het oppervlak van de nanodeeltjes en de daar geadsorbeerde moleculen op gerichte plaatsen geïoniseerd, wat leidde tot de dissociatie van de moleculen in verschillende fragmenten.

"Moleculaire oppervlaktereacties op nanodeeltjes spelen een fundamentele rol bij nanokatalyse. Ze kunnen een sleutel zijn tot de productie van schone energie, met name via fotokatalytische watersplitsing", legt Matthias Kling uit. "Onze resultaten effenen ook de weg voor het volgen van fotokatalytische reacties op nanodeeltjes, niet alleen met ruimtelijke resolutie van nanometers, maar ook met femtoseconde temporele resolutie. Dit zal gedetailleerde inzichten verschaffen in de oppervlakteprocessen op de natuurlijke ruimtelijke en temporele schaal van hun dynamiek", voegt Boris toe. Bergues.

De wetenschappers verwachten dat deze veelbelovende nieuwe aanpak kan worden toegepast op tal van complexe geïsoleerde nanogestructureerde materialen. Hun studie is gepubliceerd in Optica . + Verder verkennen

Een ultrasnelle glimp van de fotochemie van de atmosfeer