Исследователи решили большую часть головоломки использования света для запуска химических реакций

Как можно катализировать химические реакции с помощью света на примере фотосинтеза в природе? Этот процесс до сих пор не совсем понятен.

Однако ученые из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) в Германии и Университета Райса в Хьюстоне, США, в настоящее время раскрыли основную часть этой загадки. Результаты исследования были недавно опубликованы в Science Advances .

Кусты, деревья и другие растения очень эффективно превращают углекислый газ и воду в кислород и глюкозу, разновидность сахара, с помощью фотосинтеза. Если основные базовые физические механизмы поняты и если они задействованы для других общих применений, преимущества для человечества могут быть огромными. Например, энергия солнечного света может быть использована для производства водорода из воды в качестве топлива для автомобилей. Метод использования процессов, управляемых светом, таких как процессы, происходящие при фотосинтезе в химических реакциях, известен как фотокатализ.

Плазмоны: электроны, колеблющиеся в синхронии

Исследователи обычно используют металлические наночастицы для получения и использования света для химических процессов. Воздействие наночастиц на свет при фотокатализе приводит к образованию так называемых плазмонов. Эти плазмоны являются коллективными колебаниями свободных электронов в материале.

Плазмоны действуют как антенны для видимого света .

Профессор Карстен Сеннихсен, Университет Майнца

Однако, физические процессы, происходящие при фотокатализе с участием таких наноантен, еще недостаточно изучены. Исследовательским группам в JGU и Университете Райса теперь удалось пролить свет на эту загадку. Этот процесс более широко изучался аспирантом Бенджамином Фёрстером и его научным руководителем Карстеном Сеннихсеном.

Модификация плазмонных резонансов

Фёрстер в основном занимался выяснением того, как освещенные плазмоны отражают свет и с какой интенсивностью. Его метод использовал два очень специфических тиоловых изомера, молекулы, структура которых организована как клетка атомов углерода. В клетчатой ​​структуре молекул есть два атома бора. Изменяя положения атомов бора в двух изомерах, ученые смогли модифицировать дипольные моменты или, другими словами, пространственное разделение зарядов над клетками.

Это привело к замечательному открытию: когда они применяли две разновидности клеток к поверхности металлических наночастиц и возбуждали плазмоны, используя свет, плазмоны отражали различные количества света на основе клетки, которая в настоящее время находилась на поверхности. Короче говоря, химическая природа молекул, размещенных на поверхности наночастиц золота, оказала влияние на локальный резонанс плазмонов, поскольку молекулы также изменяют электронную структуру наночастиц золота.

Работа в команде крайне важна для результатов

Сотрудничество было важным в проекте. « Мы никогда бы не смогли достичь наших результатов в одиночку », – заявил Зеннихсен. Бенджамин Фёрстер провел год, финансируемый Высшей школой передового опыта в области материаловедения в Майнце (MAINZ), расследовавшей в Университете Райса в Хьюстоне профессора Стефана Линка, который с 2014 года является приглашенным профессором в MAINZ.

В то время как финансирование Магистерской школы MAINZ, предложенное Федеральной и государственной инициативами Германии, будет прекращено в октябре 2019 года, Университет Майнца – в особых ситуациях – продолжит предлагать аспирантам финансовую поддержку для такого рода Срок пребывания за границей. Это будет организовано при поддержке Центра выпускников Макса Планка (MPGC) и совместно с государством Рейнланд-Пфальц.

Source link