انجام واکنش‌های کاتالیستی کنترل شده با نور در مقیاس نانو

فیزیکدانان برای اولین بار از نور لیزر برای کنترل مکان واکنش‌های ناشی از نور بر روی سطح نانوذرات استفاده کردند.

کد خبر: ۱۲۱۴۷۹۶

شنبه - ۲۲ دی ۱۴۰۳ / January 11, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو به نقل از ستاد نانو؛ کنترل میدان‌های الکترومغناطیسی قوی روی نانوذرات، کلید شروع واکنش‌های مولکولی هدفمند بر روی سطوح آنها است. چنین کنترلی بر میدان‌های قوی از طریق نور لیزر به دست می‌آید. اگرچه در گذشته تشکیل و شکستن پیوند‌های مولکولی بر روی سطوح نانوذرات ناشی از لیزر مشاهده شده است، اما کنترل نوری نانوسکوپی واکنش‌های سطحی هنوز به دست نیامده است.

یک تیم بین‌المللی به رهبری دکتر بوریس برگز و پروفسور ماتیاس کلینگ در دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان (LMU) و موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک (MPQ) با همکاری دانشگاه استنفورد اکنون این شکاف دانش را پر کرده‌اند. این فیزیکدانان برای اولین بار محل واکنش‌های مولکولی ناشی از نور را بر روی سطح نانوذرات SiO ۲ جدا شده با استفاده از پالس‌های لیزری فوق کوتاه تعیین کردند.

تجمع و اغتشاش مواد واکنش‌دهنده روی سطح نانوذرات وجود دارد. مولکول‌ها لنگر می‌اندازند، حل می‌شوند و مکان خود را تغییر می‌دهند. همه اینها واکنش‌های شیمیایی، تغییر ماده و حتی ایجاد مواد جدید را موجب می‌شود. رویداد‌های روی سطح نانوذرات را می‌توان با کمک میدان‌های الکترومغناطیسی کنترل کرد. اکنون این موضوع توسط تیمی به رهبری دکتر بوریس برگز و پروفسور ماتیاس کلینگ، نشان داده شده است. برای این منظور، محققان از پالس‌های لیزری قوی و فمتوثانیه برای ایجاد میدان‌های موضعی بر روی سطوح نانوذرات، استفاده کردند.

با استفاده از روش نانوسکوپی واکنش، که اخیراً در همین گروه توسعه یافته است، محققان توانستند محل واکنش و محل تولد قطعات مولکولی را روی سطح نانوذرات سیلیس با وضوح بهتر از ۲۰ نانومتر بررسی کنند. کنترل فضایی نانوسکوپی که با وضوح بالاتر قابل دستیابی است، توسط دانشمندان با قرار دادن میدان‌های دو پالس لیزر با رنگ‌های مختلف و شکل موج و قطبش کنترل شده ایجاد شد. بنابراین، آنها باید تاخیر زمانی بین دو پالس را با دقت اتوثانیه تنظیم می‌کردند. یک اتوثانیه هزار بار کوتاهتر از یک فمتوثانیه است. هنگام تعامل با این نور، سطح نانوذرات و مولکول‌های جذب شده در مکان‌های مورد نظر یونیزه می‌شوند که منجر به تجزیه مولکول‌ها به قطعات مختلف می‌شود.

ماتیاس کلینگ توضیح می‌دهد: «واکنش‌های سطحی مولکولی روی نانوذرات نقش اساسی در نانوکاتالیز دارند. آنها می‌توانند کلیدی برای تولید انرژی پاک، به‌ویژه از طریق تقسیم آب فوتوکاتالیستی باشند». بوریس می‌افزاید: «نتایج ما راه را برای ردیابی واکنش‌های فوتوکاتالیستی روی نانوذرات نه تنها با وضوح مکانی نانومتری، بلکه با وضوح زمانی فمتوثانیه‌ای هموار می‌کند.»

دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که با این روش مشخصه‌یابی بتوان انواع مختلف نانوکاتالیست‌ها را بررسی کرد و فهم بهتری از فرایند‌های کاتالیستی روی سطح آنها، به دست آورد.