Réactions contrôlées par la lumière à l'échelle nanométrique
Les physiciens ont utilisé pour la première fois la lumière laser pour contrôler l'emplacement des réactions induites par la lumière à la surface des nanoparticules.
Le contrôle de champs électromagnétiques puissants sur des nanoparticules est la clé pour déclencher des réactions moléculaires ciblées à leur surface. Ce contrôle des champs forts est réalisé par la lumière laser. Bien que la formation et la rupture de liaisons moléculaires à la surface des nanoparticules aient été observées par le passé, le contrôle optique nanoscopique des réactions de surface n'a pas encore été réalisé. Une équipe internationale dirigée par le Dr Boris Bergues et le professeur Matthias Kling de la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) et de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ), en collaboration avec l'université de Stanford, vient de combler cette lacune. Les physiciens ont déterminé pour la première fois l'emplacement des réactions moléculaires induites par la lumière à la surface de nanoparticules isolées de dioxyde de silicium à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.
Une nanoparticule dans le champ d'une impulsion laser femtoseconde dont la forme d'onde et la polarisation sont adaptées. Le renforcement contrôlé du champ dans des régions nanoscopiques spécifiques de la nanoparticule (points jaunes) induit des réactions photochimiques sélectives des molécules adsorbées sur la surface. L'imagerie des fragments moléculaires émis par ces régions permet un contrôle entièrement optique des sites de réaction avec une résolution nanométrique.
RMT Bergues
La surface des nanoparticules est agitée. Les molécules s'accrochent, se dissolvent et changent de place. Tout cela entraîne des réactions chimiques, modifie la matière et donne même naissance à de nouveaux matériaux. Les événements du nanocosmos peuvent être contrôlés à l'aide de champs électromagnétiques. C'est ce que vient de démontrer une équipe dirigée par le Dr Boris Bergues et le professeur Matthias Kling du groupe Électronique ultrarapide et nanophotonique. À cette fin, les chercheurs ont utilisé de fortes impulsions laser de l'ordre de la femtoseconde pour générer des champs localisés à la surface de nanoparticules isolées. Une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde.
Grâce à la nanoscopie réactionnelle, une nouvelle technique récemment mise au point par le même groupe, les physiciens ont pu visualiser le site de réaction et le lieu de naissance des fragments moléculaires à la surface des nanoparticules de silice, avec une résolution supérieure à 20 nanomètres. Le contrôle spatial nanoscopique, réalisable à une résolution encore plus élevée, a été obtenu par les scientifiques en superposant les champs de deux impulsions laser de couleur différente, dont la forme d'onde et la polarisation ont été contrôlées. Ils ont ainsi dû régler le délai entre les deux impulsions avec une précision d'une attoseconde. Une attoseconde est toujours mille fois plus courte qu'une femtoseconde. En interagissant avec cette lumière sur mesure, la surface des nanoparticules et les molécules qui y sont adsorbées ont été ionisées à des endroits ciblés, ce qui a entraîné la dissociation des molécules en différents fragments.
"Les réactions moléculaires de surface sur les nanoparticules jouent un rôle fondamental dans la nanocatalyse. Elles pourraient être une clé pour la production d'énergie propre, notamment via la séparation photocatalytique de l'eau", explique Matthias Kling. "Nos résultats ouvrent également la voie au suivi des réactions photocatalytiques sur les nanoparticules non seulement avec une résolution spatiale nanométrique, mais aussi avec une résolution temporelle femtoseconde. Cela permettra d'obtenir des informations détaillées sur les processus de surface aux échelles spatiales et temporelles naturelles de leur dynamique", ajoute Boris Bergues.
Les scientifiques prévoient que cette nouvelle approche prometteuse pourra être appliquée à de nombreux matériaux nanostructurés complexes et isolés.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Wenbin Zhang, Ritika Dagari, 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, April 2022
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