En nanopartikel i området för en femtosekundlaserpuls med skräddarsydd vågform och polarisation. Den kontrollerade förbättringen av fältet i specifika nanoskopiska områden av nanopartikeln (gula fläckar) inducerar platsselektiva fotokemiska reaktioner av molekylerna som adsorberas på ytan. Avbildning av de molekylära fragmenten som emitteras från dessa regioner möjliggör helt optisk kontroll av reaktionsställena med nanometerupplösning. Kredit:RMT.Bergues
Att kontrollera starka elektromagnetiska fält på nanopartiklar är nyckeln till att utlösa riktade molekylära reaktioner på deras ytor. Sådan kontroll över starka fält uppnås via laserljus. Även om laserinducerad bildning och brytning av molekylära bindningar på nanopartikelytor har observerats tidigare, har nanoskopisk optisk kontroll av ytreaktioner ännu inte uppnåtts. Ett internationellt team ledd av Dr. Boris Bergues och Prof. Matthias Kling vid Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) och Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i samarbete med Stanford University har nu täppt till denna lucka. Fysikerna bestämde för första gången platsen för ljusinducerade molekylära reaktioner på ytan av isolerade kiseldioxidnanopartiklar med hjälp av ultrakorta laserpulser.
Det är liv och rörelse på ytan av nanopartiklar. Molekyler dockar, löses upp och ändrar sin plats. Allt detta driver kemiska reaktioner, förändrar materia och ger till och med upphov till nya material. Händelserna i nanokosmos kan styras med hjälp av elektromagnetiska fält. Detta har nu demonstrerats av ett team ledd av Dr. Boris Bergues och Prof. Matthias Kling från Ultrafast Electronics and Nanophotonics Group. För detta ändamål använde forskarna starka femtosekundlaserpulser för att generera lokala fält på ytan av isolerade nanopartiklar. En femtosekund är en miljondels miljarddels sekund.
Med hjälp av så kallad reaktionsnanoskopi, en ny teknik som nyligen utvecklats i samma grupp, kunde fysikerna avbilda reaktionsplatsen och födelseplatsen för molekylära fragment på ytan av kiseldioxidnanopartiklar – med en upplösning bättre än 20 nanometer. Den nanoskopiska rumsliga kontrollen, som kan uppnås med ännu högre upplösning, åstadkoms av forskarna genom att överlagra fälten hos två laserpulser med olika färg och kontrollerad vågform och polarisering. Därmed var de tvungna att ställa in tidsfördröjningen mellan de två pulserna med attosekundens noggrannhet. En attosekund är fortfarande tusen gånger kortare än en femtosekund. När de interagerar med detta skräddarsydda ljus, joniserades ytan på nanopartiklarna och molekylerna som adsorberades där på riktade platser, vilket ledde till dissocieringen av molekylerna i olika fragment.
"Molekylära ytreaktioner på nanopartiklar spelar en grundläggande roll i nanokatalys. De kan vara en nyckel till ren energiproduktion, särskilt via fotokatalytisk vattenklyvning", förklarar Matthias Kling. "Våra resultat banar också väg för att spåra fotokatalytiska reaktioner på nanopartiklar, inte bara med nanometer rumslig upplösning, utan också med femtosekunders tidsupplösning. Detta kommer att ge detaljerade insikter om ytprocesserna på de naturliga rumsliga och tidsmässiga skalorna för deras dynamik", tillägger Boris Bergues.
Forskarna räknar med att denna lovande nya metod kan tillämpas på många komplexa isolerade nanostrukturerade material. Deras studie publiceras i Optica . + Utforska vidare
