p Os pesquisadores do A * STAR realizaram cálculos teóricos para explicar por que microesferas semicondutoras incorporadas a nanopartículas de metal são tão boas no uso da luz solar para catalisar reações. p Os fotocatalisadores aceleram as reações químicas absorvendo a luz do sol e usando a energia para gerar reações em suas superfícies. Eles são atraentes para aplicações que não agridem o meio ambiente, como a geração de hidrogênio a partir da água e a decomposição de poluentes. Estudos experimentais demonstraram que microesferas feitas de semicondutores de óxido de metal e incorporadas com nanopartículas de metal são fotocatalisadores particularmente eficazes, mas os pesquisadores não têm certeza sobre por que esse foi o caso.

p Agora, Ping Bai e seus colegas do Instituto A * STAR de Computação de Alto Desempenho em Cingapura realizaram simulações de computador que revelam o que torna essas estruturas fotocatalisadores tão eficazes. O estudo também fornece aos cientistas orientações úteis para o projeto de fotocatalisadores plasmônicos.

p Bai e seus colegas usaram uma técnica computacional amplamente utilizada, conhecida como método dos elementos finitos, para analisar como a luz interage com uma micropartícula semicondutora contendo uma única nanopartícula de metal. Sua análise revelou que a diferença do índice de refração entre o semicondutor e o meio catalítico cria um padrão de interferência dentro da micropartícula semicondutora. Essa interferência aumenta a absorção de luz das nanopartículas de metal incorporadas como resultado da ressonância do plasmon (veja a imagem).

p Como consequência, as microesferas com nanopartículas de metal incorporadas conduzem as reações químicas ao aproveitar a energia solar com muito mais eficiência do que outras estruturas fotocatalisadoras comumente usadas. "O aprimoramento de absorção de banda larga existe em todos os lugares dentro das microesferas, "explica Bai, "e o realce máximo pode ser cem vezes maior do que o de nanopartículas de metal ou pequenos fotocatalisadores núcleo-casca." Isso explica suas taxas catalíticas superiores medidas em experimentos anteriores.

p Além de explicar as descobertas experimentais anteriores, a análise também pode ser usada para informar o projeto de fotocatalisadores. Em particular, sugere que o uso de semicondutores com índices de refração mais elevados irá maximizar a absorção de banda larga induzida pela interferência, enquanto o uso de uma mistura de diferentes nanopartículas plasmônicas permitirá a coleta flexível de energia e maior seletividade. Finalmente, as descobertas também implicam que a localização das nanopartículas de metal perto das superfícies das microesferas aumentará a taxa catalítica como consequência do alcance muito curto do campo próximo do plasmon.

p Bai e sua equipe agora buscam unir forças com outros que trabalham no campo. "Nossa próxima etapa é procurar usuários finais e colaboradores experimentais para projetar, otimizar e fabricar fotocatalisadores específicos, "diz Bai.