Reacciones controladas por la luz en la nanoescala
Los físicos utilizaron por primera vez la luz láser para controlar la ubicación de las reacciones inducidas por la luz en la superficie de las nanopartículas
El control de los campos electromagnéticos intensos en las nanopartículas es la clave para desencadenar reacciones moleculares específicas en sus superficies. Este control de los campos intensos se consigue mediante la luz láser. Aunque en el pasado se ha observado la formación y ruptura de enlaces moleculares en la superficie de las nanopartículas inducida por láser, aún no se ha logrado el control óptico nanoscópico de las reacciones superficiales. Un equipo internacional dirigido por el Dr. Boris Bergues y el Prof. Matthias Kling de la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), en colaboración con la Universidad de Stanford, ha cerrado esta brecha. Los físicos determinaron por primera vez la ubicación de las reacciones moleculares inducidas por la luz en la superficie de nanopartículas aisladas de dióxido de silicio utilizando pulsos láser ultracortos.
Una nanopartícula en el campo de un pulso láser de femtosegundo con forma de onda y polarización adaptadas. El aumento controlado del campo en regiones nanoscópicas específicas de la nanopartícula (puntos amarillos) induce reacciones fotoquímicas selectivas de las moléculas adsorbidas en la superficie. La obtención de imágenes de los fragmentos moleculares emitidos desde estas regiones permite un control totalmente óptico de los lugares de reacción con una resolución nanométrica.
RMT Bergues
En la superficie de las nanopartículas hay mucho ajetreo. Las moléculas se acoplan, se disuelven y cambian de lugar. Todo esto impulsa reacciones químicas, cambia la materia e incluso da lugar a nuevos materiales. Los acontecimientos del nanocosmos pueden controlarse con la ayuda de campos electromagnéticos. Así lo ha demostrado ahora un equipo dirigido por el Dr. Boris Bergues y el profesor Matthias Kling, del Grupo de Electrónica Ultrarrápida y Nanofotónica. Para ello, los investigadores utilizaron fuertes pulsos de láser de femtosegundo para generar campos localizados en las superficies de nanopartículas aisladas. Un femtosegundo es la millonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo.
Utilizando la llamada nanoscopia de reacción, una nueva técnica desarrollada recientemente en el mismo grupo, los físicos pudieron obtener imágenes del lugar de reacción y del nacimiento de fragmentos moleculares en la superficie de nanopartículas de sílice, con una resolución mejor que 20 nanómetros. El control espacial nanoscópico, alcanzable con una resolución aún mayor, lo consiguieron los científicos superponiendo los campos de dos pulsos láser de distinto color y con forma de onda y polarización controladas. Para ello, tuvieron que ajustar el tiempo de retardo entre los dos pulsos con una precisión de attosegundos. Un attosegundo sigue siendo mil veces más corto que un femtosegundo. Al interactuar con esta luz adaptada, la superficie de las nanopartículas y las moléculas adsorbidas en ella se ionizaban en los lugares seleccionados, lo que provocaba la disociación de las moléculas en diferentes fragmentos.
"Las reacciones moleculares superficiales en las nanopartículas desempeñan un papel fundamental en la nanocatálisis. Podrían ser la clave para la producción de energía limpia, en particular mediante la división fotocatalítica del agua", explica Matthias Kling. "Nuestros resultados también allanan el camino para seguir las reacciones fotocatalíticas en las nanopartículas no sólo con una resolución espacial nanométrica, sino también con una resolución temporal de femtosegundos. Esto proporcionará una visión detallada de los procesos superficiales en las escalas espaciales y temporales naturales de su dinámica", añade Boris Bergues.
Los científicos prevén que este nuevo y prometedor enfoque pueda aplicarse a numerosos materiales nanoestructurados aislados y complejos.
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Publicación original
Wenbin Zhang, Ritika Dagari, Philipp Rosenberger, Ana Sousa, Marcel Neuhaus, Weiwei Lii, Shrjeel A. Khan, Ali Alnaser, Emiliano Cortes, Stefan Maier, Cesar Costa-Vera, Matthias F. Kling, Boris Bergues; All-optical nanoscopic spatial control of molecular reaction yields on nanoparticles; Optica, April 2022
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