È noto da centinaia di anni che la luminescenza, o l'emissione di fotoni da parte di una sostanza esposta alla luce, avviene nei materiali semiconduttori come il silicio. Il comportamento su scala nanometrica degli elettroni mentre assorbono e poi riemettono la luce può dire molto ai ricercatori sulle proprietà dei semiconduttori, motivo per cui vengono spesso utilizzati come sonde per caratterizzare i processi elettronici, come quelli che si verificano all'interno delle celle solari.

Nel 1969, gli scienziati scoprirono che tutti i metalli emettono una certa luminescenza, ma gli anni successivi non riuscirono a fornire una chiara comprensione di come ciò avvenga. Il rinnovato interesse per questa emissione di luce, guidato dalla mappatura della temperatura su scala nanometrica e dalle applicazioni fotochimiche, ha riacceso il dibattito sulle sue origini. Ma la risposta non era ancora chiara, fino ad ora.

"Abbiamo sviluppato pellicole in metallo-oro di altissima qualità, che ci mettono in una posizione unica per chiarire questo processo senza i fattori confondenti degli esperimenti precedenti", afferma Giulia Tagliabue, direttrice del Laboratorio di nanoscienze per le tecnologie energetiche (LNET) della Scuola. di Ingegneria.

In un recente studio pubblicato su Light:Science &Applications , Tagliabue e il team di LNET hanno concentrato i raggi laser sulle pellicole d'oro estremamente sottili, tra 13 e 113 nanometri, e poi hanno analizzato il debole bagliore risultante.

I dati generati dai loro esperimenti precisi erano così dettagliati - e così inaspettati - che hanno collaborato con i teorici dell'Istituto di scienza e tecnologia di Barcellona, ​​dell'Università della Danimarca meridionale e del Rensselaer Polytechnic Institute (Stati Uniti) per rielaborare e applicare la modellazione quantomeccanica metodi.

L'approccio globale dei ricercatori ha permesso loro di risolvere il dibattito sul tipo di luminescenza emanata dai film, la fotoluminescenza, che è definita dal modo specifico in cui gli elettroni e le loro controparti di carica opposta (lacune) si comportano in risposta alla luce. Ha inoltre permesso loro di produrre il primo modello completo e completamente quantitativo di questo fenomeno nell'oro, che può essere applicato a qualsiasi metallo.

Effetti quantistici inaspettati

Tagliabue spiega che, utilizzando una sottile pellicola di oro monocristallino prodotta con una nuova tecnica di sintesi, il team ha studiato il processo di fotoluminescenza rendendo il metallo sempre più sottile. "Abbiamo osservato alcuni effetti quantomeccanici emergenti in pellicole fino a circa 40 nanometri, il che era inaspettato, perché normalmente per un metallo non si vedono tali effetti finché non si scende ben al di sotto dei 10 nm", afferma.

Queste osservazioni hanno fornito informazioni spaziali chiave sul punto esatto in cui si è verificato il processo di fotoluminescenza nell'oro, che è un prerequisito per l'utilizzo del metallo come sonda. Un altro risultato inaspettato dello studio è stata la scoperta che il segnale fotoluminescente (Stokes) dell'oro potrebbe essere utilizzato per sondare la temperatura superficiale del materiale, un vantaggio per gli scienziati che lavorano su scala nanometrica.

"Per molte reazioni chimiche sulla superficie dei metalli, c'è un grande dibattito sul perché e in quali condizioni si verificano queste reazioni. La temperatura è un parametro chiave, ma misurarla su scala nanometrica è estremamente difficile, perché un termometro può influenzare la misurazione. Pertanto, è un enorme vantaggio poter sondare un materiale utilizzando il materiale stesso come sonda," afferma Tagliabue.

Uno standard di riferimento per lo sviluppo del combustibile solare

I ricercatori ritengono che le loro scoperte consentiranno di utilizzare i metalli per ottenere informazioni dettagliate senza precedenti sulle reazioni chimiche, in particolare quelle coinvolte nella ricerca energetica. Metalli come l'oro e il rame, il prossimo obiettivo di ricerca di LNET, possono innescare alcune reazioni chiave, come la riduzione del biossido di carbonio (CO₂ ) nei prodotti a base di carbonio come i combustibili solari, che immagazzinano l'energia solare in legami chimici.

"Per combattere il cambiamento climatico, avremo bisogno di tecnologie per convertire la CO₂ in altre sostanze chimiche utili in un modo o nell'altro", afferma Alan Bowman, postdoc di LNET, il primo autore dello studio.

"L'uso dei metalli è un modo per farlo, ma se non abbiamo una buona comprensione di come queste reazioni avvengono sulle loro superfici, non possiamo ottimizzarle. La luminescenza offre un nuovo modo per capire cosa sta succedendo in questi metalli ."