Den kemiska industrin förbrukar mycket energi, inte bara för att initiera reaktioner utan också för att separera produkter från biprodukter. I ett lovande framväxande forskningsfält, Forskare över hela världen försöker använda nanoskalaantenner för att fånga och koncentrera ljus till små volymer för att initiera kemiska reaktioner mer effektivt och hållbart.

Forskare vid AMOLF avslöjade hur sådana antenner i nanoskala ökar hastigheten för kemiska reaktioner. De upptäckte också att användning av olika färger av ljus kan orsaka helt olika kemiska reaktioner.

"Denna forskning är fortfarande mycket grundläggande, men det visar att det skulle kunna vara möjligt att designa en solljusdriven kemisk reaktor med dessa nano-antenner och där olika reaktioner – och därmed olika slutprodukter – kan väljas. Detta har potentiellt enorma ekonomiska och miljömässiga konsekvenser, " säger Eitan Oksenberg, en postdoc i Nanoscale Solar Cells-gruppen ledd av Erik Garnett på AMOLF. De kommer att publicera dessa resultat i Naturens nanoteknik den 4 oktober, 2021.

I gränssnittet mellan kemi och optik, ett nytt forskningsfält har nyligen dykt upp som undersöker processen för så kallad plasmonisk fotokatalys. I denna process, metallnanostrukturers exceptionella förmåga att koncentrera ljus till volymer på subnanoskala används för att initiera kemiska reaktioner. "Denna forskning är fortfarande grundläggande, men konceptet är väldigt attraktivt. En anledning till det är att många industriella kemiska reaktioner redan katalyseras på ytan av metaller, " säger Oksenberg. "Tanken är att om du koncentrerar omgivande ljus till mycket små volymer, du får reaktionsheta punkter där hög temperatur eller högt tryck inte behövs för att en effektiv kemisk reaktion ska äga rum."

Att lösa oklarheter

Hur spännande det än må vara, framsteg på området hindras av oklarheten kring den exakta mekanismen som driver den kemiska reaktionen. Oksenberg:"När metallpartiklar i nanoskala utsätts för rätt färg på ljus, de fungerar som antenner som fångar och koncentrerar ljus till en mycket liten volym, som kan driva en kemisk reaktion. Forskare diskuterar fortfarande om sådana reaktioner drivs direkt av det koncentrerade ljuset, av de högenergielektroner som bildas i metallen, eller av värme som byggs upp i metallen när elektronerna försvinner sin energi."

Trimma kemiska reaktioner

Oksenberg och hans kollegor utvecklade ett sätt att experimentellt skilja mellan de olika möjliga drivmekanismerna. "Det är inte okomplicerat att undersöka vad som händer på ytan av metallnanopartiklar eftersom antennen visar en mycket starkare interaktion med ljus än de molekyler som genomgår den kemiska reaktionen, " förklarar han. "Men, när molekylerna förändras på ytan av metallnanopartikeln, de orsakar små förändringar på antennen, som dess färg och bandbredd. Genom att mäta reflektionen av ljus från mer än tusen enskilda metallnanopartiklar, vi kan noggrant övervaka dessa förändringar över tid för att få en inblick i kinetiken för den kemiska reaktionen."

Forskarna förväntade sig att kunna upptäcka exakt hur kemiska reaktioner förstärks av nanoantenner av metall, men de fann att det finns flera sätt. "Även i vårt mycket enkla kemiska system, vi såg att olika drivmekanismer förekommer vid olika ljusfärger, leder till distinkta kemiska reaktioner. Det betyder att det är möjligt att ställa in de kemiska reaktionsprodukterna genom att välja färg på ljuset."

Selektiv kemi

Denna upptäckt är mycket lovande för framtida tillämpningar som använder nanopartikelantenner av metall inom kemi. Oksenberg noterar, "Som vetenskapsman, Jag är exalterad över förmågan att ställa in en kemisk reaktion med ljus och över rikedomen i den kemi som vi precis har börjat avslöja. Om vi ​​kan utöka vår forskning till andra ljusfärger utanför det synliga spektrumet, vi kan till och med hitta helt nya kemiska vägar som kan utlösas med plasmoniska resonanser. Detta har potential att bli en störande teknik. En kemisk reaktor baserad på de principer vi upptäckte, är inte bara mycket snabb och mycket specifik, men kräver också mycket enkla förhållanden, som omgivningstemperatur medan den bara behöver solljus som energikälla. Möjligheten att göra den kemiska industrin mer effektiv och hållbar med detta koncept, har enorma ekonomiska och miljömässiga konsekvenser."