24.05.2022
Physiker der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben erstmals mit Hilfe von Laserlicht den Ort lichtinduzierter Reaktionen auf der Oberfläche von Nanopartikeln gesteuert.
Erstautoren Ritika Dagar und Wenbin Zhang im Labor in Garching. | © Thorsten Naeser
Es herrscht Trubel auf der Oberfläche von Nanopartikeln. Moleküle docken an, lösen sich und verändern ihren Aufenthaltsort. Das alles treibt chemische Reaktionen an, verändert Materie und lässt sogar neue Materialien entstehen.
Das Geschehen im Nanokosmos lässt sich mit Hilfe starker elektromagnetischer Felder steuern. Diese Felder auf Nanopartikel zu kontrollieren, ist der Schlüssel, um auf deren Oberfläche gezielt molekulare Reaktionen auslösen zu können. Eine solche Kontrolle erreicht man über Laserlicht. Das hat nun ein internationales Team um Boris Bergues und Matthias Kling, Leiter der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Elektronik und Nanophotonik“ an der LMU aus der Ultraschnellen Elektronik und Nanophotonik Gruppe gezeigt.
Das Team hat mittels starker, Femtosekunden-langer Laserpulse hierfür lokale Felder auf den Oberflächen isolierter Nanopartikel erzeugt.
Ein Nanopartikel im Feld eines Femtosekunden-Laserpulses mit maßgeschneiderter Wellenform und Polarisation. Illustration: RMT.Bergues
Mit Hilfe der sogenannten Reaktions-Nanoskopie, einer neuen Technik, die kürzlich in der gleichen Gruppe entwickelt wurde, waren die Physiker in der Lage, den Reaktionsort und den Geburtsort von Molekülfragmenten auf der Oberfläche von Siliziumdioxid-Nanopartikeln abzubilden – und dies mit einer Auflösung besser als 20 Nanometer.
Die nanoskopische örtliche Kontrolle erreichten die Wissenschaftler, indem sie die Felder von zwei Laserpulsen mit unterschiedlicher Farbe, kontrollierter Wellenform und Polarisation überlagerten. Hierbei mussten sie den Zeitversatz zwischen den beiden Pulsen mit einer Genauigkeit von Attosekunden einstellen. Eine Attosekunde ist tausend Mal kürzer als eine Femtosekunde. Bei der Wechselwirkung mit diesem maßgeschneiderten Licht wurden die Oberfläche der Nanoteilchen und die dort adsorbierten Moleküle an gezielten Stellen ionisiert, wobei die Moleküle in verschiedene Fragmente aufgespalten wurden.
Molekulare Oberflächenreaktionen auf Nanopartikeln spielen in der Nanokatalyse eine grundlegende Rolle. Sie könnten ein Schlüssel zur sauberen Energiegewinnung sein, insbesondere mittels photokatalytischer Wasserspaltung.Prof. Matthias Kling
„Molekulare Oberflächenreaktionen auf Nanopartikeln spielen in der Nanokatalyse eine grundlegende Rolle. Sie könnten ein Schlüssel zur sauberen Energiegewinnung sein, insbesondere mittels photokatalytischer Wasserspaltung“, sagt Matthias Kling. Die Ergebnisse ebnen den Weg, um photokatalytische Reaktionen auf Nanopartikeln in Zukunft nicht nur räumlich mit Nanometerauflösung, sondern auch zeitlich mit Femtosekundenauflösung zu verfolgen. „Dies wird detaillierte Einblicke in die Dynamik von Oberflächenprozessen auf deren natürlichen Raum- und Zeitskalen ermöglichen“, ergänzt Boris Bergues. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich dieser vielversprechende neue Ansatz auf zahlreiche komplexe isolierte nanostrukturierte Materialien anwenden lässt.
Wenbin Zhang, Ritika Dagar, 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, 2022.