Вчені використовували лазери і частинки золота, щоб перетворити оксид титану в нанокомпозит для фотокаталізаторів. Дослідники з Університету ІТМО разом зі своїми колегами з Франції та США продемонстрували, як можна використовувати фемтосекундний лазер для налаштування структури та нанокомпозитних властивостей плівок діоксиду титану, заповнених наночастинками золота. Стаття про це опублікована в The Journal of Physical Chemistry C.
Оксиди різних металів часто служать фотокаталізаторами в різних системах, таких як очищення повітря, реакції розкладу води і навіть при виробництві самоочисних поверхонь для скла і дзеркал. Фізико-хімічні властивості таких матеріалів можуть бути поліпшені шляхом додавання наночастинок, які перетворюють звичайний оксид в наноматеріал з новими можливостями. Однак для успішного виконання потрібно розуміти процеси, що відбуваються при формуванні нанокомпозиту, і вміти їх контролювати.
Деякий час тому вчені та інженери створили ряд спеціальних матеріалів, здатних прискорювати хімічні процеси при дії світла. Це відкриття має велике значення для промисловості, тому що їх можна використовувати в різноманітних пристроях: від очищувачів повітря до паливних елементів. Одним з таких перспективних матеріалів є діоксид титану, у який можна влити наночастинки золота для поліпшення його фотокаталітичних властивостей.
Насправді, виготовлення таких композиційних матеріалів залишається складним завданням. Існують певні труднощі з розміщенням наночастинок всередині оксидних плівок, і ще складніше контролювати їх розмір і розподіл. Міжнародна група дослідників, в тому числі з Університету ІТМО, запропонувала використовувати лазерне випромінювання для досягнення цієї мети.
Дослідники з Університету ІТМО і лабораторії Х’юберта Кюрієна провели експеримент, в якому тонкі плівки пористого діоксиду титану були просякнуті іонами золота, швидко утворюючи частинки в масштабі декількох нанометрів. Потім матеріал піддавався лазерному випромінюванню. Виявилося, що при правильно вибраному фемтосекундному лазерному опроміненні можна ефективно контролювати зростання наночастинок, не пошкоджуючи матеріал. Наприклад, якщо лазер рухається з дуже низькою швидкістю, навколо недавно вирощених наночастинок в плівці діоксиду титану можуть утворюватися порожнини.
Разом з дослідниками з Університету Аризони була розроблена модель для пояснення цього ефекту, яка допомогла визначити температурного поля в матеріалі, коли він піддавався лазерному випромінюванню. Модель враховувала резонансне поглинання на металевих частинках, посилення локального поля, фотоіндуційну генерацію незв’язаних електронів і фотоемісію. Виявилося, що матеріал нагрівається сильніше, коли в ньому містяться як більш дрібні, так і крупні частинки, хоча його температура все ще недостатньо висока, щоб розплавити або зруйнувати матеріал для правильно обраних параметрів лазера.
В результаті експериментів і моделювання дослідники тепер можуть краще зрозуміти механізми формування нанокомпозитних плівок і отримати більше можливостей для управління їх властивостями. Використання лазерів для цих цілей спростить виробництво таких «позолочених» плівок діоксиду титану, що полегшить їх застосування в промисловості. Однак зараз технологія ще зовсім не готова для виробництва великих масштабах, і проводяться додаткові дослідження.
Натхнення: hightech.fm