Onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Carnegie Mellon University hebben een manier gevonden om de levensduur van de kwantumtoestanden van gouden nanoclusters met drie ordes van grootte te beheersen, die zouden kunnen leiden tot verbeteringen in zonnecel- en fotokatalysetechnologieën. Hun studie is gepubliceerd in het nummer van 18 april van: Wetenschap .

Opgewonden kwantumtoestanden treden op wanneer licht wordt geabsorbeerd door een deeltje en de energie van dat licht tijdelijk wordt opgeslagen in het deeltje, waardoor zijn energie hoger is dan zijn grondtoestand. De energie vervalt snel en kan binnen een nanoseconde als warmte verloren gaan. of een miljardste van een seconde. Het uitbreiden van deze kwantumtoestand zou onderzoekers meer tijd en gelegenheid kunnen geven om de opgeslagen energie te benutten.

Carnegie Mellon Chemistry Professor Rongchao Jin is wereldberoemd voor het ontwikkelen van gouden nanodeeltjes van nauwkeurig formaat. In deze uitbreiding van zijn werk, postdoctoraal onderzoeker Meng Zhou en Ph.D. student Tatsuya Higaki, die co-eerste auteurs van het papier zijn, bestudeerde atomair nauwkeurige gouden nanoclusters met tussen de 30 en 38 atomen. Ze veranderden de structuur van clusters door de atomen te herschikken in exotische configuraties en ze te beschermen met een afdekligand.

De onderzoekers maten de levensduur van de kwantumtoestanden van de nanoclusters door femtoseconde en nanoseconde tijdsopgeloste spectroscopie te gebruiken om snapshots te maken van de nanoclusters vanaf het moment dat ze energie uit licht absorbeerden, in dit geval een femtoseconde laserpuls, totdat ze de energie loslieten. Medewerkers van de Universiteit van Californië, Riverside bevestigde de resultaten met behulp van berekeningen van de dichtheidsfunctietheorie om de moleculaire orbitalen van de nanoclusters te analyseren.

Ze ontdekten dat een 30-atoom gouden nanocluster, met een hexagonale close-packed (hcp) structuur, had een kwantumlevensduur van één nanoseconde. Maar een 38-atoom gouden nanocluster met een lichaamsgecentreerde kubieke (bcc) structuur had een veel langere levensduur van 4,7 microseconden. Door de levensduur met drie magnitudes te verlengen, hebben onderzoekers voldoende tijd om de geabsorbeerde lichtenergie uit de nanoclusters te extraheren - een bevinding die aanzienlijke implicaties heeft.

"De strategie om de levensduur van de aangeslagen toestand van zeer kort tot zeer lang te manipuleren, is opwindend. De uitzonderlijk lange kwantumlevensduur van 4,7 microseconden is vergelijkbaar met die van bulksilicium, die wordt gebruikt voor commerciële zonnecellen, "zei Jin. "Het zou ons genoeg tijd moeten geven om de energie efficiënt in externe circuits te extraheren als een elektronische stroom zonder al te veel energie te verliezen aan verwarming."

De op maat gemaakte kwantumlevensduur kan ook worden gebruikt om de efficiëntie te verhogen van op zichtbaar licht gebaseerde fotokatalyse die wordt gebruikt om zonne-energieopslag om te zetten in chemicaliën, zoals het omzetten van methanol en ethanol uit koolstofdioxide.