La ricercatrice di nanofotonica della Rice University Isabell Thomann utilizza laser, materiali attivati ​​dalla luce e punte su nanoscala per la misurazione della luce per spingere i confini della nanoscienza sperimentale, ma la luce sta fornendo l'attrazione nel suo ultimo studio.

In un nuovo articolo sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere , Thomann e colleghi, tra cui il borsista Thejaswi Tumkur e lo studente laureato Xiao Yang, combinare esperimento e teoria per testare una nuova tecnica chiamata "microscopia a forza fotoindotta, " che sonda le proprietà ottiche dei nanomateriali misurando la forza fisica impartita dalla luce.

La ricerca primaria di Thomann è incentrata sull'uso di nanoparticelle e luce solare per ridurre l'impronta di carbonio delle centrali elettriche. Il lavoro valica i confini della chimica, ottica, ingegnere elettrico, energia e ambiente, ma un obiettivo importante è la fotocatalisi, una classe di processi in cui la luce interagisce con materiali ad alta tecnologia per guidare reazioni chimiche.

"Molti esperimenti al giorno d'oggi sono fatti sotto vuoto spinto, ma voglio far funzionare il reattore nel mio laboratorio in condizioni più realistiche:temperatura normale, pressione normale, in presenza di acqua, che si applica alla cattura della luce solare per la fotocatalisi, " disse Thomann, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, di scienza dei materiali e nanoingegneria e di chimica alla Rice.

Thomann ha lavorato per sviluppare nuovi strumenti per misurare i nanomateriali da quando è arrivata alla Rice nel 2012. Lei e il suo team stanno sviluppando un sistema di spettroscopia laser ultraveloce in grado di leggere le firme ottiche di processi chimici di breve durata che sono rilevanti per la fotosintesi artificiale.

"In una reazione chimica, ci sono reagenti, quali sono gli input chimici, e ci sono prodotti, quali sono le uscite, " Ha detto Thomann. "Quasi tutte le reazioni guidate dalla luce comportano più passaggi in cui la luce viene convertita in particelle quantistiche come elettroni o fononi che devono essere trasportati sulle superfici per guidare le reazioni chimiche. È molto utile sapere esattamente cosa sono, quando vengono realizzati e in quale quantità, soprattutto se si sta ottimizzando un processo per uso industriale."

Il gruppo di Thomann progetta nanoparticelle attivate dalla luce che possono catturare l'energia dalla luce solare e usarla per avviare reazioni chimiche. I nanocatalizzatori, che possono essere minuscole bacchette o dischi di metallo o altro materiale, interagiscono con la luce a causa in parte delle loro forme e della loro stretta distanza tra loro. Thomann ha detto che mentre gli ingegneri fanno ogni sforzo per produrre particelle uniformi, piccole imperfezioni esistono ancora e possono avere conseguenze significative sulle prestazioni.

"I fotocatalizzatori sono spesso eterogenei, il che significa che non sono tutti esattamente uguali, e abbiamo bisogno di strumenti migliori per esaminarli con un'elevata risoluzione spaziale per vedere queste piccole differenze, " ha detto. "Dobbiamo anche seguire i processi di reazione con alta risoluzione temporale, e vogliamo fare tutto questo con una risoluzione spaziale molto migliore di quella che si può ottenere con un normale microscopio ottico".

Negli esperimenti di microscopia di forza indotta da fotoni, Il team di Thomann ha utilizzato una minuscola punta di un microscopio a forza atomica (AFM) per migliorare la risoluzione spaziale delle misurazioni effettuate da nanobarre e nanodischi d'oro su superfici di vetro. Le aste e i dischi, che sono inferiori alla lunghezza d'onda della luce utilizzata per misurarli, normalmente sarebbe sfocato in un microscopio ottico a causa di una proprietà fisica chiamata limite di diffrazione. Per risolvere meglio le nanoparticelle, e le interazioni elettromagnetiche tra di loro, Il gruppo di Thomann illumina le particelle e usa una punta AFM per sondare come queste nanoparticelle agiscono come nanoantenne ottiche e concentrano la luce.

"Se stessimo cercando di misurare la luce riflessa, it would be very difficult because there are only a few scattered photons against a very busy background where light is bouncing all over the place, especially if these measurements were carried out in a liquid environment, " Thomann said. "But we are instead measuring the force exerted on the AFM tip, the slight pull on the tip when the optical nanoantennas are illuminated by light. It turns out that measuring the force is a much more sensitive technique than trying to collect the few photons scattered off the tip."

Thomann said the study provides theoretical understanding of how photo-induced force microscopy works and lays the groundwork for future studies of more complex photocatalyst materials her team hopes to create in the future. She credited her group's improved understanding of the force-measuring technique to months of hard work by co-author Xiao Yang, a Rice graduate student in the group of theoretical physicist and study co-author Peter Nordlander.

Yang said the most difficult part of coming up with an explanation of the team's experimental results was creating a solvable computational model that accurately described the real-world physics. Per esempio, including the entire tip in the model made the mathematics impractical.

"I did try, All'inizio, but it turned out it was impossible, " Yang said. "It would have taken an infinite time to reach convergence of the simulations."

Yang eventually hit upon an idea—including just a portion of the tip in the model—that made the calculations both feasible and accurate. Thomann said this was just one example of Yang's tenacity in finding a workable solution.

"He is exactly the kind of graduate student we want:knowledgeable, hard-working and unwilling to quit in the face of adversity, " lei disse.