Controlar campos eletromagnéticos fortes em nanopartículas é a chave para desencadear reações moleculares direcionadas em suas superfícies. Esse controle sobre campos fortes é obtido por meio de luz laser. Embora a formação induzida por laser e a quebra de ligações moleculares em superfícies de nanopartículas tenham sido observadas no passado, o controle óptico nanoscópico das reações de superfície ainda não foi alcançado. Uma equipe internacional liderada pelo Dr. Boris Bergues e pelo Prof. Matthias Kling da Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) em colaboração com a Universidade de Stanford agora fechou essa lacuna. Os físicos determinaram pela primeira vez a localização de reações moleculares induzidas pela luz na superfície de nanopartículas de dióxido de silício isoladas usando pulsos de laser ultracurtos.
Há agitação na superfície das nanopartículas. Moléculas se acoplam, se dissolvem e mudam de localização. Tudo isso impulsiona reações químicas, altera a matéria e até dá origem a novos materiais. Os eventos no nanocosmos podem ser controlados com a ajuda de campos eletromagnéticos. Isso já foi demonstrado por uma equipe liderada pelo Dr. Boris Bergues e pelo Prof. Matthias Kling do Grupo de Eletrônica e Nanofotônica Ultrafast. Para isso, os pesquisadores usaram pulsos de laser de femtosegundo fortes para gerar campos localizados nas superfícies de nanopartículas isoladas. Um femtosegundo é um milionésimo de um bilionésimo de segundo.

Usando a chamada nanoscopia de reação, uma nova técnica desenvolvida recentemente no mesmo grupo, os físicos conseguiram visualizar o local da reação e o local de nascimento de fragmentos moleculares na superfície das nanopartículas de sílica – com uma resolução melhor que 20 nanômetros. O controle espacial nanoscópico, alcançável em resolução ainda maior, foi realizado pelos cientistas ao sobrepor os campos de dois pulsos de laser com cores diferentes e forma de onda e polarização controladas. Assim, eles tiveram que definir o atraso de tempo entre os dois pulsos com precisão de attossegundos. Um attosegundo ainda é mil vezes menor que um femtosegundo. Ao interagir com essa luz adaptada, a superfície das nanopartículas e as moléculas ali adsorvidas foram ionizadas em locais-alvo, levando à dissociação das moléculas em diferentes fragmentos.

"As reações de superfície molecular em nanopartículas desempenham um papel fundamental na nanocatálise. Eles podem ser a chave para a produção de energia limpa, em particular através da separação fotocatalítica da água", explica Matthias Kling. "Nossos resultados também abrem caminho para rastrear reações fotocatalíticas em nanopartículas não apenas com resolução espacial nanométrica, mas também com resolução temporal de femtossegundos. Isso fornecerá informações detalhadas sobre os processos de superfície nas escalas espaciais e temporais naturais de sua dinâmica", acrescenta Boris Bergues.

Os cientistas antecipam que esta nova abordagem promissora pode ser aplicada a vários materiais nanoestruturados complexos isolados. Seu estudo está publicado na Optica . + Explorar mais

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