I ricercatori della National University of Singapore (NUS) hanno recentemente scoperto nuove proprietà del niobato di stronzio, che è un materiale semiconduttore unico che mostra sia una conduzione di tipo metallico che un'attività fotocatalitica. I due studi, che sono stati condotti in collaborazione con ricercatori dell'Università della California, Berkeley, e il Lawrence Berkeley National Laboratory, preannunciano opportunità entusiasmanti per la creazione di nuovi dispositivi con funzionalità senza precedenti, nonché applicazioni uniche di una nuova famiglia di materiali fotocatalitici.

Dottor Wan Dongyang, un ricercatore del NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) che è stato coinvolto in entrambe le ricerche, disse, "La chiave di questi studi di successo è stata la capacità del team NUSNNI di produrre film cristallini di alta qualità di questi materiali che sono stati poi studiati da una serie di misurazioni per fornire indizi scientifici su come tali materiali si comportano in condizioni variabili".

Nuova famiglia di plasmoni scoperti in un metallo non convenzionale

Nel primo studio, i ricercatori, guidati dall'assistente professore Andrivo Rusydi, e Direttore della NUSNNI Professor T Venky Venkatesan, aveva scoperto che mentre il niobato di stronzio è di natura altamente metallica a causa di una grande popolazione di elettroni nel materiale, che è tipico della maggior parte dei metalli, è ancora trasparente alla maggior parte delle energie dei fotoni, che è una proprietà eccezionale che è diversa dalla maggior parte dei metalli. Utilizzando tecniche spettroscopiche, il team di ricerca ha scoperto che questa proprietà unica derivava da un assorbimento plasmonico intrinseco.

Dottor Teguh Citra Asmara, il primo autore dell'articolo e anche ricercatore post-dottorato alla NUSNNI, disse, "Dai nostri studi, abbiamo scoperto che questo materiale è un semiconduttore con un ampio bandgap di quattro elettronvolt. Sulla base della nostra comprensione dei semiconduttori e del forte comportamento metallico di questo materiale, non ci aspettavamo che questo materiale assorbisse fotoni visibili, quindi i risultati che abbiamo trovato sono davvero sorprendenti."

"I plasmoni sono oscillazioni risonanti di un insieme di elettroni e tipicamente si verificano in un solido metallico. Nelle giuste condizioni, i fotoni possono far eccitare questi plasmoni in un solido e in questo processo il solido assorbe l'energia del fotone. Prima che il nostro team lo capisse, si pensava che questo materiale consistesse in una banda proibita più piccola, dell'ordine di due elettronvolt, e una banda secondaria superiore di energia comparabile, " ha spiegato il prof Venkatesan.

Inoltre, il team di ricerca ha scoperto una nuova famiglia di plasmoni che si verifica a frequenze multiple. Questa nuova famiglia di plasmoni si osserva anche quando il niobato di stronzio non è un metallo convenzionale.

Asst Prof Rusydi ha detto, "Questa nuova scoperta apre nuove direzioni e percorsi di ricerca per la ricerca plasmonica, e ci consente di esaminare materiali isolanti e fortemente correlati in precedenza non sfruttati. Attualmente stiamo anche studiando le possibili applicazioni di questo nuovo tipo di plasmoni".

Questo progetto è stato originariamente avviato dal Dr Zhao Yongliang come parte della sua tesi di dottorato, e il dottor Wan Dongyang lo ha seguito come parte della sua tesi di dottorato. Entrambi hanno realizzato il progetto sotto la supervisione del Prof Venkatesan. I nuovi risultati sono stati riportati su prestigiose riviste scientifiche Comunicazioni sulla natura il 12 maggio 2017.

"Separatori d'acqua" per ridurre l'impronta di carbonio

Nel secondo studio, I ricercatori del NUS hanno esaminato come il niobato di stronzio catalizza l'acqua. Il gruppo, supervisionato dal Prof Venkatesan, scoperto che quando il niobato di stronzio è in contatto con l'acqua sotto irraggiamento solare, il materiale semiconduttore potrebbe versare acqua nei suoi costituenti di ossigeno e idrogeno. Questo studio, che è stato condotto anche in collaborazione con ricercatori della Nanyang Technological University, è stato pubblicato per la prima volta online sulla prestigiosa rivista scientifica Comunicazioni sulla natura il 19 aprile 2017.

Il professor Venkatesan ha spiegato, "Mentre questo materiale converte l'acqua in idrogeno sotto irraggiamento solare, il meccanismo alla base di questo processo è stato precedentemente erroneamente interpretato come dovuto all'elevata velocità o mobilità degli elettroni nel materiale. Il nostro gruppo ha mostrato chiaramente che non era così. La mobilità degli elettroni misurata era significativamente bassa, ma l'effetto è stato potenziato dall'assorbimento risonante dei fotoni solari da parte dei plasmoni intrinseci presenti in questo materiale."

I risultati suggeriscono fortemente un nuovo approccio alla progettazione di catalizzatori per varie applicazioni, e il lavoro potrebbe portare a nuove tecniche di raccolta dell'idrogeno - un combustibile sostenibile - dall'acqua, quindi contribuire a ridurre l'impronta di carbonio.

"A NUSNNI, abbiamo un gruppo che ha trovato una famiglia di materiali, a parte lo stronzio niobato, che funzionano altrettanto bene come separatori d'acqua plasmonici. Andando avanti, stiamo lavorando per trovare la giusta combinazione di processo fotocatalitico per la produzione di sostanze chimiche utili, " ha aggiunto il prof Venkatesan.