Forschung & Entwicklung

Chemische Reaktionen per Licht antreiben

Die chemische Natur von Molekülen an der Oberfläche ändert die Plasmonen-Antwort von Metallnanoteilchen.

Über die Fotosynthese wandeln Pflanzen mit (Sonnen-)licht Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Sauerstoff und Glukose um. Die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse zu verstehen, wäre bedeutend; so könnte man beispielsweise mit der Energie des Sonnenlichts aus Wasser gasförmigen Wasserstoff herstellen – und diesen als Kraftstoff für Autos verwenden. Überträgt man die lichtgetriebenen Prozesse der Fotosynthese auf chemische Reaktionen, spricht man von Fotokatalyse.

Um Licht einzufangen und für chemische Prozesse nutzbar zu machen, werden oft metallische Nanopartikel benutzt. Bestrahlt man die Oberfläche eines Festkörpers mit Licht kann das die freien Elektronen im Material zu kollektiven Schwingungen anregen, den Plasmonen. „Plasmonen sind eine Art Antenne für sichtbares Licht“, erklärt Professor Carsten Sönnichsen von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Die physikalischen Prozesse, die hinter der Fotokatalyse mit solchen Nanoantennen stehen, sind bisher jedoch noch nicht vollständig verstanden. Forscher der JGU haben in Kooperation mit der Rice University in Houston nun etwas Licht ins Dunkel gebracht.

Doktorand Benjamin Förster widmete sich vor allem der Frage, wie und in welcher Intensität die Plasmonen das eingestrahlte Licht wieder zurückstrahlen. Dazu verwendete er Thiole, in denen die Kohlenstoffatome in einer Käfigstruktur angeordnet sind. In dieser Käfigstruktur sitzen auch zwei Boratome. Die Forscher änderten die Positionen dieser Boratome im ‚Käfig‘ und damit auch das Dipolmoment, also die räumliche Ladungstrennung in dem Käfigmolekül. Dabei fanden sie Interessantes heraus: Setzten sie die beiden Käfige auf die Oberfläche von metallischen Nanopartikeln und regten sie per Licht Plasmonen an, so warfen die Plasmonen unterschiedlich viel Licht zurück – je nachdem, welcher ‚Käfig‘ gerade auf der Oberfläche positioniert war. Die chemische Natur der Moleküle, die an der Oberfläche von Goldnanopartikeln sitzen, beeinflusst die lokale Resonanz der Plasmonen. Denn die Moleküle ändern auch die elektronische Struktur des Goldnanopartikels.

von mn

Originalveröffentlichung:

[B. Foerster, V. A. Spata, E. A. Carter, C. Sönnichsen, S. Link, Plasmon damping depends on the chemical nature of the nanoparticle interface, Sci. Adv. 5 (2019), DOI: 10.1126/sciadv.aav0704]

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