Molecole come interruttori per tecnologie sostenibili guidate dalla luce
Un team di ricercatori della LMU identifica nuovi meccanismi di attenuazione plasmonica
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Le nanostrutture metalliche possono concentrare la luce a tal punto da innescare reazioni chimiche. I protagonisti di questo processo sono i plasmoni, oscillazioni collettive di elettroni liberi nel metallo che concentrano l'energia in volumi estremamente ridotti. Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science Advances mostra ora quanto siano cruciali le molecole adsorbite per la rapidità con cui questi plasmoni perdono la loro energia.
Il team guidato dai nanofisici della LMU, il dottor Andrei Stefancu e il professor Emiliano Cortés, ha identificato due meccanismi fondamentalmente diversi di smorzamento chimico dell'interfaccia (CID), ossia lo smorzamento plasmonico causato dalle molecole adsorbite. Quale meccanismo domina dipende da come gli stati elettronici della molecola sono allineati con quelli della superficie metallica, in questo caso l'oro. Questo allineamento si riflette anche nella resistenza elettrica del materiale.
Due meccanismi identificati
Nel primo meccanismo, la molecola assorbe l'energia in modo diretto e risonante: se l'energia plasmonica corrisponde a uno stato elettronico non occupato della molecola, un elettrone può immediatamente passare a questo stato. Questo processo è estremamente veloce e dipende fortemente dal colore (energia) della luce incidente.
Il secondo meccanismo funziona senza tale eccitazione risonante. Al contrario, gli elettroni subiscono uno scattering diffuso e anelastico all'interfaccia tra la superficie dell'oro e la molecola. Questo scattering fa perdere energia ai plasmoni e allo stesso tempo aumenta la resistenza elettrica in corrente continua dell'oro. Lo studio dimostra che questo processo di scattering e l'attenuazione plasmonica sono strettamente legati.
I risultati combinano due fenomeni precedentemente studiati separatamente: gli effetti elettrici di superficie e il trasferimento di energia plasmonica. Dimostrano che il flusso di energia tra luce, metallo e molecole può essere controllato in modo specifico semplicemente scegliendo le molecole adsorbite sulla superficie. Questo apre nuove possibilità per la catalisi guidata dalla luce, le tecnologie dei sensori e i processi chimici ad alta efficienza energetica.
Lo studio è stato reso possibile da una collaborazione internazionale con ricercatori dell'Imperial College di Londra, della Universidad de La Laguna di Tenerife e della Rice University, che hanno lavorato insieme al team della LMU. Come sottolinea Emiliano Cortés: "Questi risultati dimostrano che il flusso di energia su scala nanometrica può essere regolato in modo specifico dalla progettazione molecolare e aprono nuove possibilità di trasferimento tecnologico e di applicazione pratica. Si tratta di un passo importante verso processi sostenibili che sfruttano la luce solare per svolgere reazioni chimiche, compresa la produzione di carburanti e di prodotti chimici di valore".
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