L'industria chimica consuma molta energia, non solo per avviare reazioni ma anche per separare i prodotti dai sottoprodotti. In un promettente campo di ricerca emergente, scienziati di tutto il mondo stanno cercando di utilizzare antenne su nanoscala per catturare e concentrare la luce in piccoli volumi al fine di avviare reazioni chimiche in modo più efficiente e sostenibile.

I ricercatori di AMOLF hanno svelato come tali antenne su nanoscala migliorano la velocità delle reazioni chimiche. Hanno anche scoperto che l'uso di diversi colori della luce può causare reazioni chimiche completamente diverse.

"Questa ricerca è ancora molto fondamentale, ma mostra che potrebbe essere possibile progettare un reattore chimico alimentato dalla luce solare con queste nano-antenne e in cui possono essere scelte reazioni diverse e quindi prodotti finali diversi. Ciò ha implicazioni economiche e ambientali potenzialmente enormi, "dice Eitan Oksenberg, un postdoc nel gruppo Nanoscale Solar Cells guidato da Erik Garnett presso AMOLF. Pubblicheranno questi risultati in Nanotecnologia della natura il 4 ottobre 2021.

All'interfaccia tra chimica e ottica, recentemente è emerso un nuovo campo di ricerca che indaga il processo della cosiddetta fotocatalisi plasmonica. In questo processo, l'eccezionale capacità delle nanostrutture metalliche di concentrare la luce in volumi sub-nanoscala viene utilizzata per avviare reazioni chimiche. "Questa ricerca è ancora fondamentale, ma il concetto è molto attraente. Uno dei motivi è che molte reazioni chimiche industriali sono già catalizzate sulla superficie dei metalli, " dice Oksenberg. "L'idea è che se concentri la luce ambientale in volumi molto piccoli, si ottengono punti caldi di reazione in cui non sono necessarie alte temperature o pressioni affinché avvenga una reazione chimica efficiente."

Risolvere le ambiguità

Per quanto eccitante possa essere, il progresso nel campo è ostacolato dall'ambiguità intorno all'esatto meccanismo che guida la reazione chimica. Oksenberg:"Quando le particelle metalliche su scala nanometrica sono esposte al giusto colore della luce, agiscono come antenne che catturano e concentrano la luce in un volume molto piccolo, che può innescare una reazione chimica. Gli scienziati stanno ancora discutendo se tali reazioni siano guidate direttamente dalla luce concentrata, dagli elettroni ad alta energia formati nel metallo, o dal calore che si accumula nel metallo quando gli elettroni dissipano la loro energia."

Regolazione delle reazioni chimiche

Oksenberg ei suoi colleghi hanno sviluppato un modo per discriminare sperimentalmente tra i diversi possibili meccanismi di guida. "Non è semplice sondare cosa sta succedendo sulla superficie delle nanoparticelle metalliche perché l'antenna mostra un'interazione molto più forte con la luce rispetto alle molecole che subiscono la reazione chimica, " spiega. "Tuttavia, quando le molecole cambiano sulla superficie della nanoparticella metallica, provocano piccole modifiche all'antenna, come il colore e la larghezza di banda. Misurando il riflesso della luce di più di mille singole nanoparticelle metalliche, possiamo monitorare da vicino questi cambiamenti nel tempo per dare un'occhiata alla cinetica della reazione chimica".

I ricercatori si aspettavano di essere in grado di scoprire esattamente come le reazioni chimiche vengono potenziate dalle nano-antenne metalliche, ma hanno scoperto che ci sono diversi modi. "Anche nel nostro sistema chimico molto semplice, abbiamo visto che diversi meccanismi di guida si verificano a diversi colori della luce, portando a reazioni chimiche distinte. Ciò significa che è possibile sintonizzare i prodotti della reazione chimica scegliendo il colore della luce."

Chimica selettiva

Questa scoperta è molto promettente per applicazioni future che utilizzano antenne di nanoparticelle metalliche in chimica. note di Oksenberg, "Come scienziato, Sono eccitato dalla capacità di sintonizzare una reazione chimica con la luce e dalla ricchezza della chimica che stiamo appena iniziando a scoprire. Se possiamo espandere la nostra ricerca ad altri colori di luce al di fuori dello spettro visibile, potremmo persino trovare percorsi chimici completamente nuovi che possono essere attivati ​​con risonanze plasmoniche. Questo ha il potenziale per diventare una tecnologia dirompente. Un reattore chimico basato sui principi che abbiamo scoperto, non è solo molto veloce e molto specifico, ma richiede anche condizioni molto semplici, come la temperatura ambiente pur avendo bisogno solo della luce solare come fonte di energia. La possibilità di rendere l'industria chimica più efficiente e sostenibile con questo concetto, ha enormi implicazioni economiche e ambientali».