Металлические наноструктуры могут настолько сильно концентрировать свет, что это приводит к запуску химических реакций. Ключевыми участниками этого процесса являются плазмоны — коллективные колебания свободных электронов в металле, которые удерживают энергию в чрезвычайно малых объёмах.
Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, как адсорбированные молекулы определяют скорость потери энергии плазмонами.
Команда под руководством нанофизиков LMU доктора Андрея Стефанку и профессора Эмилио Кортеса выявила два принципиально разных механизма так называемого химического интерфейсного демпфирования (CID) — демпфирования плазмонов, вызванного адсорбированными молекулами.
Первый механизм
В первом механизме молекула поглощает энергию напрямую и резонансно: если энергия плазмона соответствует незанятому электронному состоянию молекулы, электрон может немедленно перейти в это состояние. Этот процесс чрезвычайно быстрый и сильно зависит от цвета (энергии) входящего света.
Второй механизм
Второй механизм работает без такого резонансного перехода. Вместо этого электроны подвергаются диффузному неупругому рассеянию на границе раздела между золотой поверхностью и молекулой. Это рассеяние приводит к потере энергии плазмонами и увеличивает электрическое сопротивление золота постоянному току. Исследование показывает, что этот процесс рассеяния и демпфирование плазмонов тесно связаны.
Результаты исследования
Результаты объединяют два явления, которые ранее изучались отдельно: электрические поверхностные эффекты и плазмонная передача энергии. Они демонстрируют, что поток энергии между светом, металлом и молекулами можно целенаправленно контролировать, просто выбирая, какие молекулы адсорбируются на поверхности. Это открывает новые возможности для каталитических процессов, управляемых светом, сенсорных технологий и энергоэффективных химических процессов.
Профессор Кортес заявляет: «Эти исследования показывают, что наномасштабный поток энергии можно настраивать с помощью молекулярного дизайна, открывая новые возможности для передачи технологий и практического применения. Это важный шаг на пути к устойчивым процессам, использующим солнечный свет для запуска химических реакций, включая производство топлива и ценных химических веществ».
Исследование стало возможным благодаря международному сотрудничеству, в котором участвовали исследователи из Имперского колледжа Лондона, Университета Ла-Лагуна на Тенерифе и Университета Райса, работающие вместе с командой LMU.
Предоставлено:
Ludwig Maximilian University of Munich