I chimici hanno trovato un nuovo, metodo più efficiente per eseguire reazioni guidate dalla luce, aprendo un altro possibile percorso per sfruttare la luce solare per l'energia. Il giornale Scienza sta pubblicando il nuovo metodo, che si basa sul plasmone - un movimento speciale di elettroni coinvolti nelle proprietà ottiche dei metalli.

"Abbiamo scoperto un modo nuovo e inaspettato di utilizzare il metallo plasmonico che ha il potenziale per l'uso nella conversione dell'energia solare, "dice Tim Lian, professore di chimica fisica alla Emory University e autore principale della ricerca. "Abbiamo dimostrato che possiamo raccogliere gli elettroni ad alta energia eccitati dalla luce nel plasmone e quindi utilizzare questa energia per fare chimica".

Il plasmone è un movimento collettivo di elettroni liberi in un metallo che assorbe e disperde fortemente la luce. Uno degli esempi più vividi di plasmone di superficie può essere visto nelle intricate vetrate di alcune cattedrali medievali, un effetto ottenuto attraverso nanoparticelle d'oro che assorbono e diffondono la luce visibile. Plasmon è altamente sintonizzabile:variando la dimensione e la forma delle nanoparticelle d'oro nel vetro si controlla il colore della luce emessa.

La scienza moderna sta esplorando e perfezionando l'uso di questi effetti plasmonici per una gamma di potenziali applicazioni, dall'elettronica alla medicina e alle energie rinnovabili.

Il laboratorio di Lian, specializzata nell'esplorazione del trasferimento di carica guidato dalla luce per la conversione dell'energia solare, sperimentato modi per utilizzare il plasmone per rendere quel processo più efficiente e sostenibile.

L'oro è spesso usato come catalizzatore, una sostanza per guidare le reazioni chimiche, ma non come catalizzatore fotografico:un materiale per assorbire la luce e poi fare chimica con l'energia fornita dalla luce.

Durante la fotocatalisi, un metallo assorbe fortemente la luce, eccitando rapidamente molti elettroni. "Immagina gli elettroni che si muovono su e giù nel metallo, " dice Lian. "Una volta che li ecciti a questo livello, cadono a terra. Tutta l'energia viene rilasciata sotto forma di calore molto velocemente, in picosecondi".

I ricercatori volevano trovare un modo per catturare l'energia negli elettroni eccitati prima che venisse rilasciata sotto forma di calore e quindi utilizzare gli elettroni caldi per alimentare le reazioni.

Attraverso la sperimentazione, hanno scoperto che accoppiando nano-barre di seleniuro di cadmio, un semiconduttore, a una punta di nanoparticelle d'oro plasmoniche ha permesso agli elettroni eccitati nell'oro di sfuggire nel materiale semiconduttore.

"Se usi un materiale con un certo livello di energia che può legarsi fortemente al plasmone, quindi gli elettroni eccitati possono sfuggire nel materiale e rimanere ad alto livello di energia, " Dice Lian. "Abbiamo dimostrato che puoi raccogliere gli elettroni prima che si schiantino e si rilassino, e combinare la proprietà catalitica del plasmone con la sua capacità di assorbimento della luce."

Invece di usare il calore per fare chimica, questo nuovo processo utilizza metalli e luce per fare fotochimica, aprendo un nuovo, potenzialmente più efficiente, metodo di esplorazione.

"Stiamo ora cercando di trovare altri accettori di elettroni che funzionerebbero in questo stesso processo, come una molecola o un catalizzatore molecolare al posto del seleniuro di cadmio, " Dice Lian. "Ciò renderebbe questo processo uno schema generale con molte potenziali applicazioni diverse".

I ricercatori vogliono anche esplorare se il metodo può guidare l'ossidazione dell'acqua guidata dalla luce in modo più efficiente. L'utilizzo della luce solare per dividere l'acqua per generare idrogeno è un obiettivo importante nella ricerca di energia solare sostenibile e conveniente.

"Utilizzare la luce solare illimitata per spostare gli elettroni e sfruttare il potere catalitico è una sfida difficile, ma dobbiamo trovare il modo per farlo, " Dice Lian. "Non abbiamo scelta. L'energia solare è l'unica fonte di energia in grado di sostenere la crescente popolazione umana senza un impatto ambientale catastrofico".