Rice University nanofotonica-onderzoeker Isabell Thomann gebruikt lasers, door licht geactiveerde materialen en tips voor het meten van licht op nanoschaal om de grenzen van experimentele nanowetenschap te verleggen, maar licht zorgt voor de aantrekkingskracht in haar nieuwste onderzoek.

In een nieuw artikel in het tijdschrift American Chemical Society: Nano-letters , Thomann en collega's, waaronder postdoctoraal fellow Thejaswi Tumkur en afgestudeerde student Xiao Yang, combineer experiment en theorie om een ​​nieuwe techniek te testen genaamd "foto-geïnduceerde krachtmicroscopie, " die de optische eigenschappen van nanomaterialen onderzoekt door de fysieke kracht van licht te meten.

Het primaire onderzoek van Thomann richt zich op het gebruik van nanodeeltjes en zonlicht om de ecologische voetafdruk van energiecentrales te verkleinen. Het werk overschrijdt de grenzen van de chemie, optiek, Elektrotechniek, energie en het milieu, maar een belangrijk aandachtspunt is fotokatalyse, een klasse van processen waarbij licht interageert met hightech materialen om chemische reacties aan te drijven.

"Veel experimenten worden tegenwoordig onder hoogvacuüm gedaan, maar ik wil de reactor in mijn laboratorium laten draaien onder meer realistische omstandigheden:normale temperatuur, normale druk, in de aanwezigheid van water - dat is van toepassing op het opvangen van zonlicht voor fotokatalyse, " zei Thomann, een assistent-professor in elektrische en computertechniek, van materiaalkunde en nano-engineering en van scheikunde bij Rice.

Thomann werkt aan de ontwikkeling van nieuwe instrumenten voor het meten van nanomaterialen sinds ze in 2012 bij Rice arriveerde. Zij en haar team ontwikkelen een ultrasnel laserspectroscopiesysteem dat de optische kenmerken kan lezen van kortstondige chemische processen die relevant zijn voor kunstmatige fotosynthese.

"Bij een chemische reactie er zijn reactanten, wat zijn de chemische inputs, en er zijn producten, wat zijn de uitgangen, " zei Thomann. "Bijna alle reacties die door licht worden aangedreven, omvatten meerdere stappen waarbij licht wordt omgezet in kwantumdeeltjes zoals elektronen of fononen die naar oppervlakken moeten worden getransporteerd om chemische reacties aan te drijven. Het is erg handig om te weten wat dit precies zijn, wanneer ze zijn gemaakt en in welke hoeveelheid, zeker als je een proces optimaliseert voor industrieel gebruik."

De groep van Thomann ontwerpt door licht geactiveerde nanodeeltjes die energie uit zonlicht kunnen opvangen en gebruiken om chemische reacties op gang te brengen. De nanokatalysatoren, die kleine staafjes of schijfjes van metaal of andere materialen kunnen zijn, interageren met licht, deels vanwege hun vormen en hoe dicht ze bij elkaar staan. Thomann zei dat terwijl ingenieurs alles in het werk stellen om uniforme deeltjes te produceren, kleine onvolkomenheden bestaan ​​nog steeds en kunnen aanzienlijke gevolgen hebben voor de prestaties.

"Fotokatalysatoren zijn vaak heterogeen, wat betekent dat ze niet allemaal precies hetzelfde zijn, en we hebben betere instrumenten nodig om ze met een hoge ruimtelijke resolutie te onderzoeken om deze kleine verschillen te zien, "zei ze. "We moeten ook de reactieprocessen volgen met een hoge temporele resolutie, en we willen dit allemaal doen met een veel betere ruimtelijke resolutie dan kan worden bereikt met een normale optische microscoop."

In de foton-geïnduceerde krachtmicroscopie-experimenten, Het team van Thomann gebruikte een kleine tip van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) om de ruimtelijke resolutie van metingen van gouden nanostaafjes en nanoschijven op glazen oppervlakken te verbeteren. De staven en schijven, die kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat wordt gebruikt om ze te meten, zou normaal gesproken wazig zijn in een optische microscoop vanwege een fysieke eigenschap die de diffractielimiet wordt genoemd. Om de nanodeeltjes beter op te lossen, en de elektromagnetische interacties daartussen, De groep van Thomann schijnt licht op de deeltjes en gebruikt een AFM-tip om te onderzoeken hoe deze nanodeeltjes fungeren als optische nanoantennes en het licht concentreren.

"If we were trying to measure the reflected light, 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. Bijvoorbeeld, including the entire tip in the model made the mathematics impractical.

"I did try, at first, 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, " ze zei.