Chemici van RIKEN hebben ontdekt waarom schijnend licht op zilveren nanodeeltjes ervoor zorgt dat zuurstofmoleculen die aan hun oppervlak vastzitten, afbreken. Dit inzicht zal onderzoekers helpen bij het ontwerpen van nieuwe katalysatoren die lichtenergie benutten.

Wanneer metalen nanodeeltjes worden verlicht door licht, moleculen die eraan vast zitten, reageren sneller dan normaal of nemen deel aan reacties die ze normaal niet zouden ondergaan. Dergelijke door licht gestuurde reacties zijn een veelbelovende manier om zonlicht om te zetten in chemische energie, maar hun aanvraag wordt tegengehouden omdat niemand precies weet hoe ze ontstaan.

Wat wel bekend is, is dat schijnend licht op een metalen nanodeeltje de geleidingselektronen in het metaal opwekt, waardoor ze synchroon met elkaar dansen. Deze gelokaliseerde oppervlakteplasmonen, zoals ze worden genoemd, versterken het elektrische veld dichtbij het nanodeeltje. Een paar femtoseconden later (één femtoseconde =10 ⁻¹⁵ tweede), een energetisch ('heet') elektron en een gat (een ontbrekend elektron) vormen zich in het nanodeeltje. Eindelijk, het plasmon vervalt, warmte afgeven.

Omdat deze reeks gebeurtenissen op kleine schaal zeer snel plaatsvindt, het is buitengewoon moeilijk om te bepalen welk aspect - het versterkte elektrische veld van het oppervlakteplasmon, de hete elektronen en gaten, of de hitte - speelt de grootste rol in een bepaalde door licht geïnduceerde reactie.

Nutsvoorzieningen, Emiko Kazuma van het RIKEN Surface and Interface Science Laboratory en haar collega's hebben aangetoond dat, in het geval van zuurstofmoleculen geadsorbeerd op zilveren oppervlakken, de kritische factor zijn de hete elektronen en gaten, waarbij de gaten veel meer bijdragen dan de elektronen. Hieraan gekoppeld, ze ontdekten dat de elektronische structuur van het geadsorbeerde molecuul een van de belangrijkste factoren is bij het bepalen van het reactiemechanisme.

Om deze bevindingen te doen, het team gebruikte een scanning tunneling microscoop (STM) om zowel afzonderlijke zuurstofmoleculen op de zilveren oppervlakken af ​​te beelden als de reactie te induceren door een oppervlakteplasmon op de opening tussen het zilveren oppervlak en een gouden STM-tip te exciteren met lichte bestraling. Het vermogen om afzonderlijke moleculen in beeld te brengen was cruciaal voor hun succes. "Vrijwel alle groepen die werkzaam zijn op het gebied van plasmonische reacties gebruiken macroscopische technieken zoals gaschromatografie en infraroodspectroscopie die gemiddelde parameters meten, ", zegt Kazuma. "Maar omdat plasmonen sterk gelokaliseerd zijn in de buurt van het metaaloppervlak, we wilden de reactie in dat kleine gebied visualiseren om het mechanisme bloot te leggen."

Het team is van plan hun bevindingen te gebruiken om het reactiepad te manipuleren. "Tot dusver, onze studies hebben zich gericht op het onthullen van het reactiemechanisme, maar in de volgende stap zullen we proberen de reactie te regelen en de elektronische structuur van het geadsorbeerde molecuul af te stemmen, ' zegt Kazuma.