Написано AZoNano 19199009 ]

Оксиды различных металлов часто служат фотокатализаторами в различных системах, таких как очистка воздуха, реакции разложения воды и даже при производстве самоочищающихся поверхностей для стекла и зеркал. Физико-химические свойства таких материалов могут быть улучшены путем добавления наночастиц, которые превращают обычный оксид в наноматериал с новыми возможностями.

Однако, чтобы успешно выполнить это, необходимо понимать процессы, происходящие при формировании нанокомпозита, и уметь их контролировать. Исследователи из Университета ИТМО вместе со своими коллегами из Франции и США продемонстрировали, как можно использовать фемтосекундный лазер для настройки структуры и нанокомпозитных свойств пленок диоксида титана, заполненных наночастицами золота. Статья была опубликована в ACS Журнал физической химии C .

Некоторое время назад ученые и инженеры создали ряд специальных материалов, способных ускорять химические процессы при воздействии света. Это открытие имеет большое значение для промышленности – такие материалы можно использовать в самых разных устройствах, от очистителей воздуха до топливных элементов. Одним из таких перспективных материалов является диоксид титана, в который можно влить наночастицы золота для улучшения его фотокаталитических свойств. Исследования в этой области проводятся исследователями Университета ИТМО.

Фактически, изготовление таких композиционных материалов остается сложной задачей. Тонкие пленки из диоксида титана и наночастиц золота могут быть созданы отдельно, но способ сочетания этих двух компонентов еще предстоит определить. Существуют определенные трудности с размещением наночастиц внутри оксидных пленок, и еще сложнее контролировать их размер и распределение. Международная группа исследователей, в том числе из Университета ИТМО, предложила использовать лазерное излучение для достижения этой цели. «Если мы подвергаем эти материалы лазерному излучению, как частицы золота, так и матрицы диоксида титана вокруг них изменяют свои свойства», объясняет Максим Сергеев, научный сотрудник ITMO.

Исследователи из Университета ИТМО и лаборатории Хьюберта Кюриена провели эксперимент, в котором тонкие пленки пористого диоксида титана были пропитаны ионами золота, быстро образующими частицы в масштабе нескольких нанометров. Затем материал подвергался лазерному излучению. Оказалось, что при правильно выбранном фемтосекундном лазерном облучении можно эффективно контролировать рост наночастиц, не повреждая материал. Например, если лазер движется с очень низкой скоростью, вокруг недавно выращенных наночастиц в пленке диоксида титана могут образовываться полости.

«Вместе с исследователями из Университета Аризоны мы разработали модель для объяснения этого эффекта, которая помогла нам определить температурное поле в материале, когда он подвергался лазерному излучению. Модель учитывала резонансное поглощение на металле частицы, усиление локального поля, фотоиндуцированная генерация несвязанных электронов и фотоэмиссия. Оказалось, что материал нагревается больше, когда в нем содержатся как более мелкие, так и более крупные частицы, хотя его температура все еще не была достаточно высокой, чтобы расплавить или разрушить материал для правильно выбранного лазера. параметры, " разрабатывает Татьяна Итина, директор по исследованиям в лаборатории им. Губерта Кюриена Французского национального центра научных исследований.

В результате как экспериментов, так и моделирования, исследователи теперь могут лучше понять механизмы формирования нанокомпозитных пленок и получить больше возможностей для управления их свойствами. Использование лазеров для этих целей упростит производство таких «позолоченных» пленок диоксида титана, что облегчит их применение в промышленности. Однако сейчас технология еще далеко не готова и проводятся дополнительные исследования.

Источник: https://en.itmo.ru/en/