Una nanoparticella nel campo di un impulso laser a femtosecondi con forma d'onda e polarizzazione personalizzate. Il potenziamento controllato del campo in specifiche regioni nanoscopiche della nanoparticella (macchie gialle) induce reazioni fotochimiche sito-selettive delle molecole adsorbite sulla superficie. L'imaging dei frammenti molecolari emessi da queste regioni consente il controllo completamente ottico dei siti di reazione con una risoluzione nanometrica. Credito:RMT.Bergues
Il controllo di forti campi elettromagnetici sulle nanoparticelle è la chiave per innescare reazioni molecolari mirate sulle loro superfici. Tale controllo su campi forti si ottiene tramite la luce laser. Sebbene in passato siano state osservate la formazione e la rottura indotte dal laser di legami molecolari sulle superfici delle nanoparticelle, il controllo ottico nanoscopico delle reazioni di superficie non è stato ancora raggiunto. Un team internazionale guidato dal Dr. Boris Bergues e dal Prof. Matthias Kling presso la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) e il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) in collaborazione con la Stanford University ha ora colmato questa lacuna. I fisici hanno determinato per la prima volta la posizione delle reazioni molecolari indotte dalla luce sulla superficie di nanoparticelle di biossido di silicio isolate utilizzando impulsi laser ultracorti.
C'è trambusto sulla superficie delle nanoparticelle. Le molecole si agganciano, si dissolvono e cambiano la loro posizione. Tutto questo guida reazioni chimiche, cambia la materia e dà origine anche a nuovi materiali. Gli eventi nel nanocosmo possono essere controllati con l'aiuto di campi elettromagnetici. Ciò è stato ora dimostrato da un team guidato dal Dr. Boris Bergues e dal Prof. Matthias Kling dell'Ultrafast Electronics and Nanophotonics Group. A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato forti impulsi laser a femtosecondi per generare campi localizzati sulle superfici di nanoparticelle isolate. Un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo.
Utilizzando la cosiddetta nanoscopia di reazione, una nuova tecnica recentemente sviluppata nello stesso gruppo, i fisici sono stati in grado di visualizzare il sito di reazione e il luogo di nascita dei frammenti molecolari sulla superficie delle nanoparticelle di silice, con una risoluzione migliore di 20 nanometri. Il controllo spaziale nanoscopico, ottenibile a una risoluzione ancora più elevata, è stato ottenuto dagli scienziati sovrapponendo i campi di due impulsi laser con colore diverso e forma d'onda e polarizzazione controllate. In tal modo, hanno dovuto impostare il ritardo tra i due impulsi con una precisione di attosecondi. Un attosecondo è ancora mille volte più breve di un femtosecondo. Interagendo con questa luce su misura, la superficie delle nanoparticelle e le molecole ivi adsorbite sono state ionizzate in siti mirati, portando alla dissociazione delle molecole in frammenti diversi.
"Le reazioni di superficie molecolare sulle nanoparticelle svolgono un ruolo fondamentale nella nanocatalisi. Potrebbero essere una chiave per la produzione di energia pulita, in particolare attraverso la scissione fotocatalitica dell'acqua", spiega Matthias Kling. "I nostri risultati aprono anche la strada al tracciamento delle reazioni fotocatalitiche sulle nanoparticelle non solo con una risoluzione spaziale nanometrica, ma anche con una risoluzione temporale di femtosecondi. Ciò fornirà informazioni dettagliate sui processi di superficie sulle scale spaziali e temporali naturali della loro dinamica", aggiunge Boris Bergues.
Gli scienziati prevedono che questo nuovo approccio promettente può essere applicato a numerosi materiali nanostrutturati isolati e complessi. Il loro studio è pubblicato su Optica . + Esplora ulteriormente
