Oxiden van verschillende metalen dienen vaak als fotokatalysatoren in verschillende systemen zoals luchtzuivering, reacties van waterafbraak en zelfs bij de productie van zelfreinigende oppervlakken voor glas en spiegels. De fysisch-chemische eigenschappen van dergelijke materialen kunnen worden verbeterd door nanodeeltjes toe te voegen, die een gewoon oxide veranderen in een nanomateriaal met nieuwe mogelijkheden. Om dit succesvol uit te voeren, echter, het is noodzakelijk om de processen te begrijpen die plaatsvinden terwijl een nanocomposiet wordt gevormd, en om ze te kunnen beheersen. Onderzoekers van de ITMO University hebben samen met hun collega's uit Frankrijk en de VS aangetoond hoe een femtoseconde laser kan worden gebruikt om de structuur en nanocomposieteigenschappen af ​​te stemmen voor titaniumdioxidefilms gevuld met gouden nanodeeltjes. Het artikel is gepubliceerd in de ACS Journal of Physical Chemistry C .

Een tijdje geleden, wetenschappers en ingenieurs creëerden een aantal speciale materialen die chemische processen kunnen versnellen wanneer ze aan licht worden blootgesteld. Deze ontdekkingen hebben grote implicaties voor de industrie:dergelijke materialen kunnen in een groot aantal verschillende apparaten worden gebruikt, van luchtreinigers tot brandstofcellen. Een van die veelbelovende materialen is titaandioxide, die kan worden doordrenkt met gouden nanodeeltjes om de fotokatalytische eigenschappen te verbeteren. Onderzoek op dit gebied wordt uitgevoerd door onderzoekers van de ITMO University.

In feite, fabricage van dergelijke composietmaterialen blijft een uitdaging. Dunne films van titaniumdioxide en gouden nanodeeltjes kunnen afzonderlijk worden gemaakt, maar de methode van combinatie van deze twee componenten moet nog worden vastgesteld. Er zijn bepaalde problemen met het plaatsen van nanodeeltjes in de oxidefilms, en het is zelfs nog moeilijker om hun grootte en distributie te controleren. Een internationale groep onderzoekers, waaronder die van de ITMO University, heeft voorgesteld om laserstraling te gebruiken om dit doel te bereiken. "Als we deze materialen blootstellen aan laserstraling, zowel de gouddeeltjes als de titaniumdioxidematrices eromheen veranderen hun eigenschappen, " legt Maksim Sergeev uit, een onderzoeksmedewerker bij ITMO.

De onderzoekers van ITMO University en het Hubert Curien Laboratory hebben een experiment uitgevoerd, waar dunne films van poreus titaandioxide werden geïmpregneerd met goudionen die snel deeltjes vormden op de schaal van enkele nanometers. Vervolgens, het materiaal werd onderworpen aan laserstraling. Het bleek dat met de goed gekozen femtoseconde laserbestraling, het is mogelijk om de groei van nanodeeltjes effectief te beheersen zonder het materiaal te beschadigen. Bijvoorbeeld, als de laser met een zeer lage snelheid beweegt, holtes kunnen zich vormen rond de nieuw gegroeide nanodeeltjes in de titaniumdioxidefilm.

"Samen met onderzoekers van de Universiteit van Arizona hebben we een model ontwikkeld om dit effect te verklaren dat ons hielp het temperatuurveld in het materiaal te bepalen wanneer het werd blootgesteld aan laserstraling. Het model beschouwde resonante absorptie op metaaldeeltjes, lokale veldverbetering, fotogeïnduceerde generatie van ongebonden elektronen, en foto-emissie. Het materiaal bleek meer te verwarmen wanneer het zowel kleinere als grotere deeltjes bevatte, hoewel de temperatuur nog steeds niet hoog genoeg was om het materiaal te smelten of te vernietigen voor de correct gekozen laserparameters, " legt Tatiana Itina uit, Onderzoeksdirecteur bij het Hubert Curien-laboratorium van het Franse nationale centrum voor wetenschappelijk onderzoek.

Als resultaat van zowel experimenten als simulaties, de onderzoekers kunnen nu de mechanismen achter de vorming van nanocomposietfilms beter begrijpen en hebben meer mogelijkheden om hun eigenschappen te beheersen. Het gebruik van lasers voor deze doeleinden zal de productie van dergelijke "vergulde" titaniumdioxidefilms vereenvoudigen, waardoor het gemakkelijker wordt om ze in de industrie te implementeren. Direct, echter, de technologie is nog lang niet klaar en aanvullende studies zijn aan de gang.