Oxider av olika metaller fungerar ofta som fotokatalysatorer i olika system som luftrening, reaktioner av vattennedbrytning och även vid produktion av självrengörande ytor för glas och speglar. De fysikalisk-kemiska egenskaperna hos sådana material kan förbättras genom att tillsätta nanopartiklar, som gör en vanlig oxid till ett nanomaterial med nya möjligheter. För att lyckas med detta, dock, det är nödvändigt att förstå de processer som pågår när en nanokomposit bildas, och att kunna kontrollera dem. ITMO-universitetets forskare har tillsammans med sina kollegor från Frankrike och USA demonstrerat hur en femtosekundlaser kan användas för att justera strukturen och nanokompositegenskaperna för titandioxidfilmer fyllda med guldnanopartiklar. Uppsatsen publicerades i ACS Journal of Physical Chemistry C .

För en tid sedan, forskare och ingenjörer skapade ett antal speciella material som kan påskynda kemiska processer när de utsätts för ljus. Dessa upptäckter har stora konsekvenser för industrin – sådana material kan användas i en mängd olika enheter, från luftrenare till bränsleceller. Ett sådant lovande material är titandioxid, som kan infunderas med guldnanopartiklar för att förbättra dess fotokatalytiska egenskaper. Forskning inom detta område bedrivs av ITMO University-forskare.

Faktiskt, tillverkning av sådana kompositmaterial är fortfarande utmanande. Tunna filmer av titandioxid och guld nanopartiklar kan skapas separat, men metoden för kombination av dessa två komponenter är ännu inte fastställd. Det finns vissa svårigheter med att placera nanopartiklar inuti oxidfilmerna, och det är ännu svårare att kontrollera deras storlek och distribution. En internationell grupp av forskare, inklusive de från ITMO University, har föreslagit att man använder laserstrålning för att uppnå detta mål. "Om vi ​​utsätter dessa material för laserstrålning, både guldpartiklarna och titandioxidmatriserna runt dem ändrar sina egenskaper, " förklarar Maksim Sergeev, en forskarassistent vid ITMO.

Forskarna från ITMO University och Hubert Curien Laboratory har genomfört ett experiment, där tunna filmer av poriferous titaniumdioxid impregnerades med guldjoner som snabbt bildar partiklar på en skala av några nanometer. Sedan, materialet utsattes för laserstrålning. Det visade sig att med den korrekt valda femtosekundlaserbestrålningen, det är möjligt att effektivt kontrollera tillväxten av nanopartiklar utan att skada materialet. Till exempel, om lasern rör sig med mycket låg hastighet, hålrum kan bildas runt de nytillväxta nanopartiklarna i titandioxidfilmen.

"Tillsammans med forskare från University of Arizona utvecklade vi en modell för att förklara denna effekt som hjälpte oss att bestämma temperaturfältet i materialet när det utsattes för laserstrålning. Modellen tog hänsyn till resonansabsorption på metallpartiklar, lokal fältförbättring, fotoinducerad generering av obundna elektroner, och fotoemission. Materialet visade sig värma mer när det innehöll både mindre och större partiklar, även om dess temperatur fortfarande inte var tillräckligt hög för att smälta eller förstöra materialet för de korrekt valda laserparametrarna, " utarbetar Tatiana Itina, Forskningschef vid Hubert Curien-laboratoriet vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning.

Som ett resultat av både experiment och simuleringar, forskarna kan nu bättre förstå mekanismerna bakom bildandet av nanokompositfilmer och få fler möjligheter att kontrollera deras egenskaper. Att använda lasrar för dessa ändamål kommer att förenkla produktionen av sådana "guldpläterade" titandioxidfilmer, vilket kommer att göra det lättare att implementera dem i industrin. Just nu, dock, Tekniken är långt ifrån klar och ytterligare studier pågår.