Chemische Reaktionen per Licht antreiben

Chemische Natur von Molekülen an der Oberfläche ändert die Plasmonen-Antwort von Metall-Nanoteilchen

  • (a) Wenn Adsorbate an Metall binden, induzieren sie elektrische Dipole im Metall. Elektronen, die sich im Metall bewegen, können mit diesen induzierten Dipolen kollidieren und ihre Energie verlieren. (b+c) Die Effizienz dieser Kollision hängt von der Richtung der induzierten Dipole ab und damit von der Chemie des Adsorbaten. Bild: Felix Schlapp, JGU(a) Wenn Adsorbate an Metall binden, induzieren sie elektrische Dipole im Metall. Elektronen, die sich im Metall bewegen, können mit diesen induzierten Dipolen kollidieren und ihre Energie verlieren. (b+c) Die Effizienz dieser Kollision hängt von der Richtung der induzierten Dipole ab und damit von der Chemie des Adsorbaten. Bild: Felix Schlapp, JGU

Wie lassen sich – nach dem Vorbild der Photosynthese in der Natur – mit Licht chemische Reaktionen anstoßen? Dies ist bislang noch weitgehend unverstanden. Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Rice University in Houston, USA, haben nun jedoch ein großes Puzzlestück zum Verständnis beigetragen. Ihre Ergebnisse publizierten sie in Science Advances.

Bäume, Sträucher und andere Pflanzen nutzen das Sonnenlicht äußerst effektiv: Über die Photosynthese wandeln sie mit dem Licht Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Sauerstoff und Glukose, also Zucker, um. Wie lassen sich die physikalischen Prozesse, die dahinterliegen, verstehen und zum allgemeinen Vorteil einsetzen? Der Nutzen wäre sehr relevant für die Gesellschaft. 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 Photosynthese auf chemische Reaktionen, spricht man von Photokatalyse.

Plasmonen: Elektronen schwingen im Gleichtakt

Um Licht einzufangen und für chemische Prozesse nutzbar zu machen, werden oft metallische Nanopartikel benutzt. Bestrahlt man die Oberfläche eines Festkörpers mit Licht – wie das bei der Photokatalyse der Fall ist – kann das die freien Elektronen im Material zu kollektiven Schwingungen anregen, den Plasmonen. „Plasmonen sind eine Art Antenne für sichtbares Licht“, erklärt Prof. Dr. Carsten Sönnichsen von der JGU. Die physikalischen Prozesse, die hinter der Photokatalyse mit solchen Nano-Antennen stehen, sind bisher jedoch noch nicht vollständig verstanden. Forscher der Johannes Gutenberg-Universität haben in Kooperation mit der Rice University nun etwas Licht ins Dunkel gebracht. Doktorand Benjamin Förster untersuchte gemeinsam mit seinem Doktorvater Carsten Sönnichsen diesen Prozess genauer.

Änderung der Plasmonenresonanz

Förster widmete sich vor allem der Frage, wie und in welcher Intensität die Plasmonen das eingestrahlte Licht wieder zurückstrahlen. Dazu verwendete er ganz besondere Moleküle: Thiole, in denen die Kohlenstoff-Atome in einer Käfigstruktur angeordnet sind. In dieser Käfigstruktur sitzen auch zwei Bor-Atome. Die Forscher änderten die Positionen dieser Bor-Atome 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 metallenen 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.

Kurzum: Die chemische Natur der Moleküle, die an der Oberfläche von Gold-Nanopartikeln sitzen, beeinflusst die lokale Resonanz der Plasmonen. Denn die Moleküle ändern auch die elektronische Struktur des Gold-Nanopartikels.

Teamarbeit führte zum Ziel

Die Zusammenarbeit war bei diesem Projekt extrem wichtig. „Alleine hätte man solche Ergebnisse kaum erzielen können“, ist sich Sönnichsen sicher. Finanziert von der Exzellenz-Graduiertenschule „Materials Science in Mainz“ (MAINZ) forschte sein Doktorand Förster ein Jahr lang an der Rice University in Houston bei Prof. Dr. Stephan Link, der seit 2014 Visiting Professor an der Graduiertenschule ist. Zwar endet die Förderung der Graduiertenschule MAINZ im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder im Oktober 2019. Unter dem Dach des Max Planck Graduate Center (MPGC) ermöglicht die JGU ihren Promovierenden in Einzelfällen jedoch weiterhin gemeinsam mit dem Land Rheinland-Pfalz die Finanzierung von solch längerfristigen Auslandsaufenthalten.

Originalveröffentlichung:

Benjamin Foerster, Vincent A. Spata, Emily A. Carter, Carsten Sönnichsen and Stephan Link: Plasmon damping depends on the chemical nature of the nanoparticle interface, Science Advances (2019); DOI: [10.1126/sciadv.aav0704].

Weitere Informationen:

Johannes Gutenberg-Universität Mainz

 

 

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