Ett forskarlag vid University of Tokyo har introducerat en kraftfull metod för att aktivt bryta kemiska bindningar med hjälp av excitationer i små antenner skapade av infraröda lasrar. Denna process kan ha tillämpningar i hela kemin som ett sätt att styra kemiska reaktioner i önskade riktningar. Särskilt, reaktionerna som används i energin, farmaceutisk, och tillverkningssektorer kan bli mycket effektivare genom att öka avkastningen och samtidigt minska avfallet.

Kemi är ett rörigt företag, eftersom det kan finnas en mängd olika sätt som startkemikalierna kan reagera på, och varje väg kan leda till bildandet av en annan produkt. Över åren, kemister har utvecklat många verktyg – inklusive att ändra temperaturen, koncentration, pH, eller lösningsmedel – för att driva reaktionen för att maximera utbytet av de önskade molekylerna.

Dock, om de ges förmågan att selektivt kontrollera framställningen eller brytningen av enskilda bindningar inom en molekyl, forskare kan avsevärt förbättra effektiviteten av dessa reaktioner, samtidigt som oönskade biprodukter minimeras. "Att kunna kontrollera kemiska reaktioner på molekylär nivå - det vill säga, förmågan att selektivt bryta eller bilda kemiska bindningar, är ett viktigt mål för fysikaliska kemister, " säger första författaren Ikki Morichika.

Ett sätt att kontrollera vilka bindningar som bryts under en kemisk reaktion är att få molekyler att vibrera genom att excitera dem med infrarött laserljus. Eftersom varje typ av kemisk bindning absorberar en viss våglängd av ljus, de kan aktiveras individuellt. Tyvärr, det är svårt att leverera tillräckligt med energi genom hela provet för att generera den vibrationsintensitet som krävs. Teamet vid University of Tokyo kunde övervinna detta problem genom att tillverka små guldantenner, var och en bara 300 nanometer bred, och genom att belysa dem med infraröda lasrar. När infrarött ljus med rätt frekvens var närvarande, elektronerna i antennerna svängde fram och tillbaka i resonans med ljusvågorna, vilket skapade ett mycket intensivt elektriskt fält.

Detta fenomen kallas en "plasmonisk resonans, " och kräver att antennerna har precis rätt form och storlek. Den plasmoniska resonansen fokuserade laserns energi på närliggande molekyler, som började vibrera. Vibrationen förstärktes ytterligare genom att forma vågformen för den infraröda lasern så att frekvensen ändrades snabbt med tiden, påminner om fågelkvitter. "Detta visade framgångsrikt att kombinationen av ultrasnabb optik och nanoplasmonik är användbar för effektiva, selektiv vibrationsexcitation, säger seniorförfattaren Satoshi Ashihara.

I framtiden, denna teknik kan tillämpas på produktion av renare bränslen eller billigare läkemedel i takt med att de kemiska processerna blir optimerade.