A pesquisadora de nanofotônica da Rice University, Isabell Thomann, usa lasers, materiais ativados por luz e pontas em nanoescala de medição de luz para expandir os limites da nanociência experimental, mas a luz está fornecendo a atração em seu último estudo.

Em um novo artigo na revista American Chemical Society Nano Letras , Thomann e colegas, incluindo o pós-doutorado Thejaswi Tumkur e o estudante de graduação Xiao Yang, combinar experimento e teoria para testar uma nova técnica chamada "microscopia de força induzida por foto, "que investiga as propriedades ópticas dos nanomateriais medindo a força física transmitida pela luz.

Os principais centros de pesquisa de Thomann no uso de nanopartículas e luz solar para reduzir a pegada de carbono das usinas de energia. O trabalho ultrapassa as fronteiras da química, ótica, Engenharia elétrica, energia e meio ambiente, mas o foco principal é a fotocatálise, uma classe de processos em que a luz interage com materiais de alta tecnologia para gerar reações químicas.

"Muitos experimentos hoje em dia são feitos sob alto vácuo, mas quero operar o reator em meu laboratório em condições mais realistas - temperatura normal, pressão normal, na presença de água, que se aplicará à captura de luz solar para fotocatálise, "disse Thomann, professor assistente de engenharia elétrica e da computação, de ciência de materiais e nanoengenharia e de química em Rice.

Thomann tem trabalhado para desenvolver novas ferramentas para medir nanomateriais desde que chegou a Rice em 2012. Ela e sua equipe estão desenvolvendo um sistema de espectroscopia a laser ultrarrápido que pode ler as assinaturas ópticas de processos químicos de curta duração que são relevantes para a fotossíntese artificial.

"Em uma reação química, existem reagentes, quais são os insumos químicos, e existem produtos, quais são as saídas, "Disse Thomann." Quase todas as reações conduzidas pela luz envolvem várias etapas em que a luz é convertida em partículas quânticas, como elétrons ou fônons, que precisam ser transportados para as superfícies para conduzir as reações químicas. É muito útil saber exatamente o que são, quando são feitos e em que quantidade, principalmente se você estiver otimizando um processo para uso industrial. "

O grupo de Thomann projeta nanopartículas ativadas por luz que podem capturar a energia da luz solar e usá-la para iniciar reações químicas. Os nanocatalisadores, que podem ser minúsculas hastes ou discos de metal ou outros materiais, interagem com a luz devido em parte às suas formas e à proximidade entre eles. Thomann disse que embora os engenheiros façam todos os esforços para produzir partículas uniformes, pequenas imperfeições ainda existem e podem ter consequências significativas no desempenho.

"Fotocatalisadores são frequentemente heterogêneos, o que significa que eles não são exatamente iguais, e precisamos de melhores ferramentas para examiná-los com alta resolução espacial, a fim de ver essas pequenas diferenças, "disse ela." Também precisamos seguir os processos de reação com alta resolução temporal, e queremos fazer tudo isso com uma resolução espacial muito melhor do que a que pode ser alcançada com um microscópio óptico normal. "

Nos experimentos de microscopia de força induzida por fótons, A equipe de Thomann usou uma ponta minúscula de um microscópio de força atômica (AFM) para aumentar a resolução espacial das medições feitas a partir de nanobastões e nanodiscos de ouro em superfícies de vidro. As hastes e discos, que são menores do que o comprimento de onda da luz usada para medi-los, normalmente ficaria embaçado em um microscópio óptico devido a uma propriedade física chamada limite de difração. Para resolver melhor as nanopartículas, e as interações eletromagnéticas entre eles, O grupo de Thomann ilumina as partículas e usa uma ponta AFM para sondar como essas nanopartículas agem como nanoantenas ópticas e concentram a luz.

"Se estivéssemos tentando medir a luz refletida, it would be very difficult because there are only a few scattered photons against a very busy background where light is bouncing all over the place, especially if these measurements were carried out in a liquid environment, " Thomann said. "But we are instead measuring the force exerted on the AFM tip, the slight pull on the tip when the optical nanoantennas are illuminated by light. It turns out that measuring the force is a much more sensitive technique than trying to collect the few photons scattered off the tip."

Thomann said the study provides theoretical understanding of how photo-induced force microscopy works and lays the groundwork for future studies of more complex photocatalyst materials her team hopes to create in the future. She credited her group's improved understanding of the force-measuring technique to months of hard work by co-author Xiao Yang, a Rice graduate student in the group of theoretical physicist and study co-author Peter Nordlander.

Yang said the most difficult part of coming up with an explanation of the team's experimental results was creating a solvable computational model that accurately described the real-world physics. Por exemplo, including the entire tip in the model made the mathematics impractical.

"I did try, inicialmente, but it turned out it was impossible, " Yang said. "It would have taken an infinite time to reach convergence of the simulations."

Yang eventually hit upon an idea—including just a portion of the tip in the model—that made the calculations both feasible and accurate. Thomann said this was just one example of Yang's tenacity in finding a workable solution.

"He is exactly the kind of graduate student we want:knowledgeable, hard-working and unwilling to quit in the face of adversity, " ela disse.