Kemister på RIKEN har upptäckt varför lysande ljus på silvernanopartiklar får syremolekyler som är fästa på deras ytor att bryta av. Denna insikt kommer att hjälpa forskare att designa nya katalysatorer som utnyttjar ljusenergi.

När metallnanopartiklar belyses av ljus, molekyler fästa vid dem reagerar snabbare än vanligt eller deltar i reaktioner som de normalt inte skulle genomgå. Sådana ljusdrivna reaktioner är ett lovande sätt att omvandla solljus till kemisk energi, men deras ansökan hålls tillbaka på grund av att ingen är exakt säker på hur de uppstår.

Vad som är känt är att lysande ljus på en metallnanopartikel exciterar ledningselektronerna i metallen, får dem att dansa i synk med varandra. Dessa lokaliserade ytplasmoner, som de kallas, intensifiera det elektriska fältet nära nanopartikeln. Några femtosekunder senare (en femtosekund =10 ⁻¹⁵ andra), en energisk ('het') elektron och ett hål (en saknad elektron) bildas i nanopartikeln. Till sist, plasmon sönderfaller, släpper ut värme.

Eftersom denna serie av händelser inträffar mycket snabbt i en liten skala, det är extremt svårt att avgöra vilken aspekt – ytplasmonens förstärkta elektriska fält, de heta elektronerna och hålen, eller värmen – spelar den största rollen i en viss ljusinducerad reaktion.

Nu, Emiko Kazuma vid RIKEN Surface and Interface Science Laboratory och hennes medarbetare har visat att, när det gäller syremolekyler adsorberade på silverytor, den kritiska faktorn är de heta elektronerna och hålen, med hålen som bidrar med mycket mer än elektronerna. kopplat till detta, de fann att den elektroniska strukturen hos den adsorberade molekylen är en av de viktigaste faktorerna för att bestämma reaktionsmekanismen.

För att göra dessa fynd, teamet använde ett scanning tunneling microscope (STM) för att både avbilda enstaka syremolekyler på silverytorna och inducera reaktionen genom att excitera en ytplasmon vid gapet mellan silverytan och en guld STM-spets med ljusbestrålning. Förmågan att avbilda enstaka molekyler var avgörande för deras framgång. "Så gott som alla grupper som arbetar inom området plasmoniska reaktioner använder makroskopiska tekniker som gaskromatografi och infraröd spektroskopi som mäter genomsnittliga parametrar, " säger Kazuma. "Men eftersom plasmoner är starkt lokaliserade nära metallytan, vi ville visualisera reaktionen i det lilla området för att avslöja mekanismen."

Teamet avser att använda sina resultat för att manipulera reaktionsvägen. "Än så länge, våra studier har fokuserat på att avslöja reaktionsmekanismen, men i nästa steg kommer vi att försöka kontrollera reaktionen genom att justera den elektroniska strukturen hos den adsorberade molekylen, säger Kazuma.