Osservazione Diretta del Meccanismo di Fotocarica nei Nanorods d'Oro per la Conversione Energetica

Un progresso significativo nella comprensione dei fenomeni fotochimici su scala nanometrica è stato conseguito grazie all'osservazione e modellizzazione diretta del processo di fotocarica all'interno dei nanorods d'oro utilizzati come fotocatalizzatori. Queste strutture metalliche sono impiegate per sfruttare l'energia luminosa al fine di guidare trasformazioni chimiche complesse, quali la produzione di idrogeno dall'acqua o la riduzione dell'anidride carbonica in combustibili, rivelando un meccanismo di funzionamento precedentemente sfuggente.

La ricerca, condotta da un team guidato dal fisico Dottor Wouter Koopman presso l'Università di Potsdam, ha fornito una descrizione dettagliata di come questi nanodispositivi accumulano energia elettrica sotto irraggiamento. Il fulcro della scoperta è la visualizzazione in situ di come la luce incidente venga convertita in oscillazioni elettroniche collettive all'interno dei nanorods. Questi agiscono come antenne capaci di immagazzinare carica sulla loro superficie, assumendo la funzione di "condensatori fotochimici". Il processo chiave implica la creazione di coppie elettrone-lacuna all'assorbimento della luce; le lacune vengono poi cedute alle molecole circostanti, come l'etanolo, mentre gli elettroni rimangono confinati sulla particella, generando così la fotocarica.

Il Dottor Felix Stete, primo autore dello studio e coordinatore scientifico, ha evidenziato come la luce sia sufficiente a stabilire potenziali elettrici tra la singola nanoparticella e l'ambiente circostante. Questa indagine risolve una questione fondamentale nel campo della fotocatalisi che coinvolge particelle metalliche su scala nanometrica, un'area di ricerca che ha attratto interesse sin dagli anni Settanta del secolo scorso per affrontare problematiche ambientali ed energetiche.

Il Dottor Koopman ha concluso che le particelle metalliche agiscono essenzialmente come elettrolizzatori nanometrici, ma con il vantaggio cruciale di non necessitare di una fonte di tensione esterna per operare, a differenza dei dispositivi convenzionali che separano l'acqua in idrogeno e ossigeno tramite elettricità. L'attività di ricerca si inserisce nel contesto del Centro di Ricerca Collaborativo SFB 1636, denominato "Processi elementari delle reazioni indotte dalla luce su metalli su scala nanometrica", finanziato dalla Fondazione Tedesca per la Ricerca (DFG) e attivo dal 2024.

L'obiettivo ultimo, come espresso dal Dottor Koopman, è perseguire la fotosintesi artificiale per convertire l'anidride carbonica atmosferica in sostanze chimiche utili, un'esigenza resa pressante dalle stime dell'IPCC che indicano la necessità di rimuovere centinaia di Gigatonnellate di CO2 entro questo secolo. La capacità di osservare e formalizzare il meccanismo di carica fornisce un quadro fisico concreto per l'ottimizzazione mirata delle reazioni chimiche guidate dalla luce, aprendo nuove prospettive per la realizzazione di reattori chimici alimentati a energia solare e sistemi avanzati di accumulo energetico. La comprensione di questi processi elementari è fondamentale per superare le inefficienze dei metodi di fotosintesi artificiale sviluppati finora, ponendo le basi per il controllo preciso delle reazioni foto-indotte.