De chemie van fotosynthese is nog steeds slecht begrepen. Echter, onderzoekers van Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) in Duitsland en Rice University in Houston hebben nu een belangrijk stukje van de puzzel blootgelegd. Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

bomen, struiken en andere planten zijn uiterst efficiënt in het omzetten van water en kooldioxide in zuurstof en glucose, een soort suiker, door middel van fotosynthese. Het kennen van de fundamentele fysieke mechanismen die erbij betrokken zijn en ze gebruiken voor andere algemene toepassingen zou enorme voordelen opleveren voor de mensheid. De energie van zonlicht zou kunnen worden gebruikt om waterstof uit water te genereren als brandstof voor auto's, bijvoorbeeld. Het gebruik van door licht aangedreven processen, zoals die welke betrokken zijn bij fotosynthese in chemische reacties, wordt fotokatalyse genoemd.

Plasmonen:elektronen oscilleren synchroon

Wetenschappers gebruiken vaak metalen nanodeeltjes om licht op te vangen en te benutten voor chemische processen. Blootstelling van nanodeeltjes aan licht in fotokatalyse vormt zogenaamde plasmonen. Plasmonen zijn collectieve oscillaties van vrije elektronen in het materiaal. "Plasmons werken als antennes voor zichtbaar licht, " verklaarde professor Carsten Sönnichsen van de Universiteit van Mainz. Echter, de fysische processen die betrokken zijn bij fotokatalyse waarbij dergelijke nano-antennes betrokken zijn, moeten nog in detail worden begrepen. De teams van JGU en Rice University hebben nu enig licht geworpen op dit raadsel.

Afstudeerder Benjamin Förster en zijn begeleider Carsten Sönnichsen hebben dit proces uitgebreider onderzocht. Förster concentreerde zich vooral op het bepalen hoe verlichte plasmonen licht reflecteren en met welke intensiteit. Zijn techniek maakte gebruik van twee zeer specifieke thiol-isomeren, moleculen waarvan de structuren zijn gerangschikt als een kooi van koolstofatomen. Binnen de kooiachtige structuur van de moleculen bevinden zich twee booratomen. Door de posities van de booratomen in de twee isomeren te veranderen, de onderzoekers konden de dipoolmomenten variëren, met andere woorden, de ruimtelijke ladingsscheiding over de kooien.

Dit leidde tot een interessante ontdekking:als ze de twee soorten kooien met licht op het oppervlak van metalen nanodeeltjes en aangeslagen plasmonen zouden aanbrengen, de plasmonen weerkaatsten verschillende hoeveelheden licht, afhankelijk van welke kooi zich op dat moment op het oppervlak bevond. Kortom, de chemische aard van de moleculen op het oppervlak van gouden nanodeeltjes beïnvloedde de lokale resonantie van de plasmonen omdat de moleculen ook de elektronische structuur van de gouden nanodeeltjes veranderen.