I chimici di RIKEN hanno scoperto perché la luce diretta sulle nanoparticelle d'argento provoca la rottura delle molecole di ossigeno attaccate alle loro superfici. Questa intuizione aiuterà i ricercatori a progettare nuovi catalizzatori che sfruttano l'energia della luce.

Quando le nanoparticelle metalliche sono illuminate dalla luce, le molecole ad esse attaccate reagiscono più velocemente del solito o partecipano a reazioni che normalmente non subirebbero. Tali reazioni guidate dalla luce sono un modo promettente per convertire la luce solare in energia chimica, ma la loro applicazione è stata trattenuta a causa del fatto che nessuno è esattamente sicuro di come si verificano.

Ciò che è noto è che la luce splendente su una nanoparticella metallica eccita gli elettroni di conduzione nel metallo, facendoli ballare in sincronia l'uno con l'altro. Questi plasmoni di superficie localizzati, come vengono chiamati, intensificare il campo elettrico vicino alla nanoparticella. Pochi femtosecondi dopo (un femtosecondo =10 ⁻¹⁵ secondo), un elettrone energetico ("caldo") e un buco (un elettrone mancante) si formano nella nanoparticella. Finalmente, il plasmone decade, rilasciando calore.

Poiché questa serie di eventi si verifica molto rapidamente su piccola scala, è estremamente difficile determinare quale aspetto:il campo elettrico potenziato del plasmone di superficie, gli elettroni caldi e le lacune, o il calore:gioca il ruolo più importante in una particolare reazione indotta dalla luce.

Ora, Emiko Kazuma al RIKEN Surface and Interface Science Laboratory e i suoi collaboratori hanno dimostrato che, nel caso di molecole di ossigeno adsorbite su superfici d'argento, il fattore critico sono gli elettroni caldi e le lacune, con i fori che contribuiscono molto di più degli elettroni. Collegato a questo, hanno scoperto che la struttura elettronica della molecola adsorbita è uno dei fattori più importanti nel determinare il meccanismo di reazione.

Per fare queste scoperte, il team ha utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM) per visualizzare singole molecole di ossigeno sulle superfici d'argento e indurre la reazione eccitando un plasmone di superficie nello spazio tra la superficie d'argento e una punta STM d'oro con irradiazione di luce. La capacità di visualizzare singole molecole è stata cruciale per il loro successo. "Praticamente tutti i gruppi che lavorano nell'area delle reazioni plasmoniche utilizzano tecniche macroscopiche come la gascromatografia e la spettroscopia infrarossa che misurano i parametri medi, " dice Kazuma. "Ma poiché i plasmoni sono fortemente localizzati vicino alla superficie del metallo, volevamo visualizzare la reazione in quella piccola area per scoprire il meccanismo".

Il team intende utilizzare le loro scoperte per manipolare il percorso di reazione. "Finora, i nostri studi si sono concentrati sulla rivelazione del meccanismo di reazione, ma nella fase successiva cercheremo di controllare la reazione sintonizzando la struttura elettronica della molecola adsorbita, " dice Kazuma.