Gli ossidi di metalli diversi spesso fungono da fotocatalizzatori in vari sistemi come la purificazione dell'aria, reazioni di decomposizione dell'acqua e anche nella produzione di superfici autopulenti per vetri e specchi. Le proprietà fisico-chimiche di tali materiali possono essere migliorate aggiungendo nanoparticelle, che trasformano un normale ossido in un nanomateriale con nuove capacità. Per eseguire con successo questo, però, è necessario comprendere i processi in corso durante la formazione di un nanocomposito, e poterli controllare. I ricercatori dell'Università ITMO, insieme ai loro colleghi francesi e statunitensi, hanno dimostrato come è possibile utilizzare un laser a femtosecondi per regolare la struttura e le proprietà dei nanocompositi per film di biossido di titanio riempiti con nanoparticelle d'oro. Il documento è stato pubblicato su ACS Journal of Physical Chemistry C .

Qualche tempo fa, scienziati e ingegneri hanno creato una serie di materiali speciali in grado di accelerare i processi chimici se esposti alla luce. Queste scoperte hanno grandi implicazioni per l'industria:tali materiali possono essere utilizzati in un'ampia varietà di dispositivi, dai depuratori d'aria alle celle a combustibile. Uno di questi materiali promettenti è il biossido di titanio, che può essere infuso con nanoparticelle d'oro per migliorarne le proprietà fotocatalitiche. La ricerca in questo campo è condotta da ricercatori dell'Università ITMO.

Infatti, la fabbricazione di tali materiali compositi rimane impegnativa. Film sottili di biossido di titanio e nanoparticelle d'oro possono essere creati separatamente, ma il metodo di combinazione di queste due componenti è ancora da stabilire. Ci sono alcune difficoltà nel posizionare le nanoparticelle all'interno dei film di ossido, ed è ancora più difficile controllarne le dimensioni e la distribuzione. Un gruppo internazionale di ricercatori, compresi quelli dell'Università ITMO, ha suggerito di utilizzare la radiazione laser per raggiungere questo obiettivo. "Se sottoponiamo questi materiali a radiazioni laser, sia le particelle d'oro che le matrici di biossido di titanio che le circondano cambiano le loro proprietà, " spiega Maksim Sergeev, un ricercatore associato presso ITMO.

I ricercatori dell'Università ITMO e del Laboratorio Hubert Curien hanno condotto un esperimento, dove sottili film di biossido di titanio porifero sono stati impregnati di ioni d'oro formando rapidamente particelle sulla scala di pochi nanometri. Quindi, il materiale è stato sottoposto a radiazione laser. Si è scoperto che con l'irradiazione laser a femtosecondi scelta correttamente, è possibile controllare efficacemente la crescita delle nanoparticelle senza danneggiare il materiale. Ad esempio, se il laser si muove a una velocità molto bassa, cavità possono formarsi attorno alle nanoparticelle appena cresciute nel film di biossido di titanio.

"Insieme ai ricercatori dell'Università dell'Arizona abbiamo sviluppato un modello per spiegare questo effetto che ci ha aiutato a determinare il campo di temperatura nel materiale quando è stato sottoposto a radiazioni laser. Il modello ha considerato l'assorbimento risonante su particelle metalliche, valorizzazione del territorio locale, generazione fotoindotta di elettroni non legati, e fotoemissione. Il materiale si riscaldava di più quando conteneva particelle sia più piccole che più grandi, sebbene la sua temperatura non fosse ancora abbastanza alta da fondere o distruggere il materiale per i parametri laser scelti correttamente, " elabora Tatiana Itina, Direttore della ricerca presso il Laboratorio Hubert Curien del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica.

Come risultato di esperimenti e simulazioni, i ricercatori possono ora comprendere meglio i meccanismi alla base della formazione del film nanocomposito e avere più possibilità di controllarne le proprietà. L'uso dei laser per questi scopi semplificherà la produzione di tali film di biossido di titanio "placcato in oro", che semplificheranno la loro implementazione nell'industria. Proprio adesso, però, la tecnologia è lungi dall'essere pronta e sono in corso ulteriori studi.