24.05.2022

Lichtgesteuerte Reaktionen auf Nanoteilchen

Kombination zweier ultrakurzer Laserpulse ionisiert gezielt Punkte auf der Oberfläche von Nanoteilchen.

Starke elektromagnetische Felder auf Nanopartikeln zu kontrollieren, ist der Schlüssel, um auf deren Oberflächen gezielt molekulare Reaktionen auszulösen. Eine solche Kontrolle über Starkfelder erreicht man über Laserlicht. Zwar wurden in der Vergangenheit eine laser­induzierte Entstehung und Brechung von molekularen Bindungen auf Nano­partikel­oberflächen beobachtet, doch eine nanoskopische optische Kontrolle von Oberflächen­reaktionen wurde bisher nicht erreicht. Ein internationales Team um Boris Bergues und Matthias Kling an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Zusammenarbeit mit der Stanford University hat diese Lücke nun geschlossen. Die Physiker bestimmten erstmals den Ort von licht­induzierten molekularen Reaktionen auf der Oberfläche von isolierten Silizium­dioxid-Nanopartikeln mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen.

 

Abb.: Ein Nanopartikel im Feld eines Femto­sekunden-Laserpulses mit...
Abb.: Ein Nanopartikel im Feld eines Femto­sekunden-Laserpulses mit maß­geschneiderter Wellen­form und Polarisation. Die kontrollierte Verstärkung des Feldes in bestimmten Bereichen führt zu orts­selektiven photochemischen Reaktionen. (Bild: RMT Bergues)

Es herrscht Trubel auf der Oberfläche von Nanopartikeln. Moleküle docken an, lösen sich und verändern ihren Aufenthaltsort. Das alles treibt chemische Reaktionen an, verändert Materie und lässt sogar neue Materialien entstehen. Das Geschehen im Nanokosmos lässt sich mit Hilfe von elektro­magnetischen Feldern kontrollieren. Das hat nun ein Team um Boris Bergues und Matthias Kling aus der Gruppe ultra­schnelle Elektronik und Nano­photonik gezeigt. Das Team hat mittels starker, Femtosekunden-langer Laserpulse hierfür lokale Felder auf den Oberflächen isolierter Nanopartikel erzeugt.

Mit Hilfe der Reaktions-Nanoskopie, einer neuen Technik, die kürzlich in der gleichen Gruppe entwickelt wurde, waren die Forscher in der Lage, den Reaktionsort und den Geburtsort von Molekül­fragmenten auf der Oberfläche von Siliziumdioxid-Nanopartikeln abzubilden – und dies mit einer Auflösung besser als zwanzig Nanometer. Die nanoskopische örtliche Kontrolle, die mit noch höherer Auflösung erreichbar ist, bewirkten die Wissenschaftler, indem sie die Felder von zwei Laserpulsen mit unterschiedlicher Farbe, kontrollierter Wellenform und Polarisation überlagerten. Hierbei mussten sie den Zeitversatz zwischen den beiden Pulsen mit einer Genauigkeit von Attosekunden einstellen. Bei der Wechsel­wirkung mit diesem maßgeschneiderten Licht wurden die Oberfläche der Nanoteilchen und die dort adsorbierten Moleküle an gezielten Stellen ionisiert, wobei die Moleküle in verschiedene Fragmente aufgespalten wurden.

„Molekulare Oberflächen­reaktionen auf Nanopartikeln spielen in der Nanokatalyse eine grundlegende Rolle. Sie könnten ein Schlüssel zur sauberen Energiegewinnung sein, insbesondere mittels photokatalytischer Wasser­spaltung“, erläutert Matthias Kling. „Unsere Ergebnisse ebnen den Weg, um photokatalytische Reaktionen auf Nanopartikeln in Zukunft nicht nur räumlich mit Nanometer­auflösung, sondern auch zeitlich mit Femtosekunden­auflösung zu verfolgen. Dies wird detaillierte Einblicke in die Dynamik von Oberflächen­prozessen auf deren natürlichen Raum- und Zeitskalen ermöglichen“, ergänzt Boris Bergues.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich dieser vielversprechende neue Ansatz auf zahlreiche komplexe isolierte nanostrukturierte Materialien anwenden lässt.

MPQ / DE

 

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