پیش بردن واکنش های شیمیایی با نور

دانشمندان معمولا از نانوذرات فلزی برای جذب و مهار نور برای فرایندهای شیمیایی استفاده می کنند.

در معرض نور گذاشتن نانوذرات در فتوکاتالیز، به اصطلاح پلاسمون ها را شکل می دهد. پلاسمون ها نوسانهای جمعی الکترون های آزاد در ماده هستند.

(a) وقتی مواد جذب شده به فلز متصل می شوند، دو قطبی های الکتریکی را در فلز القا می کنند. الکترون های دارای حرکت آزاد در فلز می توانند با این دو قطبی های القایی برخورد کنند و انرژی خود را از دست بدهند. (b + c) کارایی چنین برخوردی بستگی به جهت گیری دو قطبی های القا شده و در نتیجه بستگی به شیمی ماده جذب شده دارد.

شیمی فتوسنتز هنوز به درستی درک نشده است. با این حال، محققان دانشگاه یوهانس گوتنبرگ، ماینز (JGU) در آلمان و دانشگاه رایس در هوستون، یک قطعه اصلی از پازل را کشف کرده اند. 

درختان، بوته ها و گیاهان دیگر در تبدیل آب و دی اکسید کربن به اکسیژن و گلوکز، که نوعی شکر است، با استفاده از فتوسنتز، بسیار کارآمد هستند.

دانستن مکانیسم های فیزیکی اساسی و استفاده از آنها برای سایر برنامه های کاربردی عمومی، دارای مزایای زیادی برای بشر خواهد بود. انرژی نور خورشید می تواند برای تولید هیدروژن از آب به عنوان سوخت برای خودرو استفاده شود. استفاده از فرایندهای هدایت شده با نور مانند آنهایی که در فتوسنتز در واکنش های شیمیایی درگیر هستند، فوتوکاتالیز نامیده می شود.

پلاسما الکترون های نوسان کننده در هماهنگی:
دانشمندان معمولا از نانوذرات فلزی برای جذب و مهار نور برای فرایندهای شیمیایی استفاده می کنند. در معرض نور گذاشتن نانوذرات در فتوکاتالیز، به اصطلاح پلاسمون ها را شکل می دهد. پلاسمون ها نوسانهای جمعی الکترون های آزاد در ماده هستند. پروفسور کارستن Sönnichsen از دانشگاه مینتس توضیح داد:

"پلاسمون ها مانند آنتن ها برای نور مرئی عمل می کنند. با این حال، فرایندهای فیزیکی درگیر در فوتوکاتالیز شامل چنین نانو آنتن هایی تا به حال به تفصیل درک نشده است و این کار لازم است صورت گیرد." تیم های دانشگاه JGU و دانشگاه رایس در حال حاضر پرتوهای روشنی بر این معما افکنده اند.

دانشجوی تحصیلات تکمیلی بنجامین فورستر و کاردین سونیکسن، سرپرست او، بیشتر این پروسه را مورد بررسی قرار داده اند.

فورستر عمدتا در تعیین این که چگونه پلاسمون های روشن شده منعکس کننده نور هستند و شدت آن چقدر است تمرکز کرد. تکنیک او دو ایزومر تیول خیلی ویژه را به کار گرفت، مولکول هایی که ساختارهای آنها به عنوان قفس از اتم های کربن مرتب شده است.

در داخل ساختار قفس مانند مولکول ها دو اتم بور وجود دارد. با تغییر موقعیت اتمهای بور در دو ایزومر، محققان توانستند ممان های دو قطبی، و به عبارت دیگر جدایی فضایی بار در سراسر قفس ها، را تغییر دهند.

این منجر به یک کشف جالب شد: اگر آنها با استفاده از نور، دو نوع قفس را به سطح نانوذرات فلزی و پلاسمون های تحریک شده اِعمال می کردند، پلاسمون ها بسته به این که کدام قفس در حال حاضر روی سطح است، مقادیر متفاوتی از نور را منعکس می کردند.

به طور خلاصه، طبیعت شیمیایی مولکول هایی که بر روی سطح نانوذرات طلا قرار دارد، بر رزونانس موضعی پلاسمون ها تأثیر داشت، زیرا مولکول ها نیز ساختار الکترونیکی نانوذرات طلا را تغییر می دهند.مواد شیمیایی، دو قطبی هایی برای میرا کردن پلاسمون ها القا می کنند.

تصویر، روند استفاده از دو قطبی های القا شده توسط مولکول های خاص برای اندازه گیری اثر میرایی آنها بر روی پلاسمون های نانو ذرات طلا را نشان می دهد. اعتبار: آلیس پیکرینگ / دانشگاه رایس

نورِ پراکنده شده توسط نانوذرات پلاسمونی مفید است، اما قسمتی از آن در سطح از دست می رود و دانشمندان اکنون شروع کرده اند به این که بفهمند چرا چنین می شود.

در آزمایش های جدید در دانشگاه رایس و دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینس، همراه با کار نظری در دانشگاه پرینستون، محققان دریافتند که مولکول های قرار داده شده در سطح یک نانومیله طلا بر پاسخ پلاسمونی آن با تغییر ساختار الکترونیکی خودِ ذره تأثیر دارند.

این یافته ها می تواند کاربرد هایی شبیه کاتالیزوری را که درگیر شیمیِ هدایت شده با پلاسمون هستند، افزایش دهد.

پلاسمون ها تموج های الکترون ها هستند که هنگامی که ماشه آنها توسط نور کشیده شود در عرض سطح یک نانو ذره فلزی تشدید می شوند.

محققان دریافتند که مولکول های قرار داده شده در سطح یک نانومیله طلا بر پاسخ پلاسمونی آن با تغییر ساختار الکترونیکی خودِ ذره تأثیر دارند.

نوری که آنها در یک طول موج یا رنگ دریافت می کنند، در همان طول موج تابش می کند و می تواند به محققان در مورد ذره و محیط آن اطلاع رسانی کند.

پلاسمون های سطحی به تشخیص حضور مواد شیمیایی کمک می کنند، انجام فتوشیمی را ممکن می سازند و واکنش های شیمیایی را به طور انتخابی کاتالیز می کنند.

اما نور بین سطح ذرات از دست می رود و چشم پژوهشگر می تواند حاوی اطلاعات اضافه ای باشد که قبلا مورد توجه قرار نگرفته است.

به نظر می رسد از دست رفتن سیگنال از طریق میرایی پلاسمون، به این علت بوده باشد که مواد شیمیایی به سطح نانو ذره، شاید از طریق انتقال بار از فلز به مواد شیمیایی، جذب سطحی شده باشند. اما استفان لینک، استاد شیمی و مهندسی برق و کامپیوتر در رایس، شک داشت که تنها یک توضیح، مناسب با همه ی مطالعات باشد.

استراتژی آنها این بود که دو نوع مولکول هم اندازه با ترتیبات مختلف اتمی را برای آنالیز روی نانو میله های منفرد طلا بگذارند. این مولکولها، که تیول های کربوران قفس مانند هستند، دو قطبی های سطحی ای را در فلز القا کردند که به نوبه خود به اندازه کافی انرژی پلاسمون ها را پراکنده کردند که سیگنال آنها را میرا کند.

این اجازه داد محققان بدون تداخل ناشی از مولکول های دیگر و یا دیگر نانو میله ها به طور مستقیم میرایی را مشاهده و اندازه گیری کنند.

مجاورت تیولها، که به جز در مورد مکان یک اتم کربن، یکجور بودند، با نانو میله، ممان های دو قطبی یگانه ای را القا کرد - یعنی قطب های مثبت و منفی مولکول ها که قدرتشان تغییر می کرد و شبیه سوزن یک قطب نما روی سطح فلزی حرکت می کردند را القا کرد.

امیلی کارتر، دانشمند تئوری محاسباتی و رئیس دانشکده مهندسی و علوم کاربردی در پرینستون، محاسبات مکانیک کوانتومی دقیق را برای تست مکانیسم هایی که می تواند آزمایشات را توضیح دهد، انجام داد.