Bezpośrednia Obserwacja Fotoładowania w Złotych Nanorodach Otwiera Nowe Perspektywy dla Energii Słonecznej

Badania prowadzone na Uniwersytecie w Poczdamie, pod kierownictwem fizyka doktora Woutera Koopmana, umożliwiły bezpośrednią wizualizację i modelowanie procesu fotoładowania zachodzącego w złotych nanorodach pełniących funkcję fotokatalizatorów. Złote nanorody są obiecującym materiałem w kontekście zrównoważonej energetyki ze względu na ich zdolność do wykorzystywania energii świetlnej do inicjowania przemian chemicznych, takich jak konwersja dwutlenku węgla w paliwa lub produkcja wodoru z wody. Proces ten, stanowiący kluczowy element fotokatalizy z udziałem metalicznych nanocząstek, był dotychczas trudny do empirycznego śledzenia, a jego zrozumienie jest niezbędne do precyzyjnej inżynierii reakcji napędzanych światłem.

Szczegółowa analiza ujawniła, że pod wpływem promieniowania w nanorodach generowane są pary elektron-dziura. Dziury przenoszą się na otaczające cząsteczki, na przykład etanol, podczas gdy elektrony pozostają zlokalizowane na cząstce, co prowadzi do nagromadzenia ładunku, czyli fotoładowania. Dr Felix Stete, pierwszy autor i koordynator naukowy projektu, zaznaczył, że światło jest wystarczające do wytworzenia potencjałów elektrycznych pomiędzy pojedynczym nanorodem a jego otoczeniem, co zostało udokumentowane w publikacji „Capacitive photocharging of gold nanorods” w czasopiśmie Nature Communications. Nanorody te funkcjonują jako mikroskopijne anteny transformujące padające światło w zbiorowe oscylacje elektronów, a w tym kontekście opisuje się je jako „fotochemiczne kondensatory” magazynujące ładunek na swojej powierzchni.

Badania te są realizowane w ramach interdyscyplinarnego Centrum Badań Współpracujących SFB 1636 „Elementarne procesy reakcji sterowanych światłem na metalach nanoskalowych”, które rozpoczęło działalność pod auspicjami Niemieckiego Towarzystwa Badań (DFG) od 1 kwietnia 2024 roku. W ramach SFB 1636 sekcja A01 koncentruje się na zrozumieniu i sterowaniu przepływem energii nierównowagowej w hybrydach metal-cząsteczka na poziomie nanometrycznym, co bezpośrednio wiąże się z obserwowanym zjawiskiem gromadzenia ładunku. Konkluzja doktora Koopmana wskazuje, że cząstki te zasadniczo zachowują się jak elektrolizery w skali nano, lecz bez konieczności stosowania zewnętrznego źródła napięcia, co stanowi fundamentalną różnicę w porównaniu do tradycyjnych systemów elektrochemicznych.

Możliwość bezpośredniej obserwacji i modelowania mechanizmu ładowania dostarcza konkretnych fizycznych ram do optymalizacji chemii zależnej od światła, co jest kluczowe dla globalnego zapotrzebowania na wydajne technologie konwersji chemicznej. Zdolność do kontrolowania akumulacji ładunku poprzez manipulację rozmiarem cząstki, typem liganda czy składem rozpuszczalnika, jak wykazano w badaniach, umożliwia precyzyjne dostosowanie właściwości katalitycznych nanorodów. Osiągnięcie to dostarcza fizycznego uzasadnienia dla koncepcji, w której nanocząstki metali działają jako samowystarczalne, napędzane światłem systemy konwersji chemicznej, stanowiąc ewolucję idei sztucznej fotosyntezy rozwijanych od lat 70. XX wieku. Bezpośrednia obserwacja, wykorzystująca czułość podłużnego lokalizowanego rezonansu plazmonowego na nagromadzenie ładunku, pozwala na kwantyfikację liczby ładunków w zależności od intensywności oświetlenia, co jest kluczowe dla inżynierii poziomu Fermiego w fotochemii plazmonowej.