فیزیکدانان واکنش‌ها را با نور لیزر در مقیاس نانو کنترل می‌کنند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، فیزیکدانان موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک و دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ با همکاری دانشگاه استنفورد برای اولین بار از نور لیزر برای کنترل مکان واکنش‌های نوری بر روی سطح نانوذرات استفاده کردند.

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 انجام شده بود، اما کنترل نوری نانوسکوپی واکنش‌های سطحی هنوز به دست نیامده است.

یک تیم تحقیقات بین‌المللی از دانشمندان به رهبری بوریس برگوز و ماتیاس کلینگ در دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان (LMU) و موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک (MPQ) با همکاری دانشگاه استنفورد اکنون این شکاف علمی را پر کرده است. فیزیکدانان برای اولین بار مکان واکنش‌های مولکولی نوری را بر روی سطح نانوذرات دی اکسید سیلیکون با استفاده از پالس‌های لیزری فوق کوتاه تعیین کردند.

در سطح نانوذرات، فعالیت زیادی وجود دارد. مولکول‌ها متصل می‌شوند، حل می‌شوند و مکان خود را تغییر می‌دهند. همه این‌ها باعث ایجاد واکنش‌های شیمیایی، تغییر ماده و حتی ایجاد مواد جدید می‌شود. میدان‌های الکترومغناطیسی می‌توانند به کنترل رویداد‌های نانو کمک کنند. محققان از پالس‌های لیزری قدرتمند فمتوثانیه‌ای برای تولید میدان‌های موضعی بر روی سطوح نانوذرات منفرد استفاده کردند. یک فمتوثانیه یک میلیونیم میلیاردیم ثانیه یا ۱۵-۱۰ ثانیه است.

با استفاده از نانوسکوپی واکنش، روش جدیدی که به تازگی در این گروه توسعه یافته است، فیزیکدانان توانستند محل واکنش و محل ایجاد قطعات مولکولی روی سطح نانوذرات سیلیس را با وضوح بهتر از ۲۰ نانومتر به تصویر بکشند. کنترل فضایی نانوسکوپی، 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 آتوثانیه تنظیم می‌کردند. یک آتوثانیه هزار بار کوتاهتر از یک فمتوثانیه است. هنگام تعامل با این نور، سطح نانوذرات و مولکول‌های جذب شده در آنجا در مکان‌های هدف یونیزه می‌شوند که منجر به تجزیه مولکول‌ها به قطعات مختلف می‌شود.

واکنش‌های سطح مولکولی روی نانوذرات نقش اساسی در نانوکاتالیزور‌ها دارد. ماتیاس کلینگ توضیح می‌دهد که آن‌ها می‌توانند کلیدی برای تولید انرژی پاک به ویژه از طریق شکستن آب به روش فوتوکاتالیستی باشند. نتایج آن‌ها همچنین راه را برای ردیابی واکنش‌های فوتوکاتالیستی روی نانوذرات نه تنها با وضوح فضایی نانومتری، بلکه با وضوح زمانی فمتوثانیه‌ای هموار می‌کند.

دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که این رویکرد جدید امیدوارکننده می‌تواند برای چندین ماده نانوساختار منفرد پیچیده اعمال شود.