Isabell Thomann, investigadora en nanofotónica de la Universidad de Rice, utiliza láseres, materiales activados por luz y puntas de nanoescala de medición de luz para ampliar los límites de la nanociencia experimental, pero la luz es la que impulsa su último estudio.

En un nuevo artículo de la revista American Chemical Society Nano letras , Thomann y colegas, incluyendo al becario postdoctoral Thejaswi Tumkur y al estudiante graduado Xiao Yang, combinar el experimento y la teoría para probar una nueva técnica llamada "microscopía de fuerza fotoinducida, "que prueba las propiedades ópticas de los nanomateriales midiendo la fuerza física impartida por la luz.

La investigación principal de Thomann se centra en el uso de nanopartículas y luz solar para reducir la huella de carbono de las centrales eléctricas. El trabajo traspasa las fronteras de la química, óptica, Ingenieria Eléctrica, energía y medio ambiente, pero un enfoque principal es la fotocatálisis, una clase de procesos en los que la luz interactúa con materiales de alta tecnología para impulsar reacciones químicas.

"En la actualidad, muchos experimentos se realizan a alto vacío, pero quiero hacer funcionar el reactor en mi laboratorio en condiciones más realistas:temperatura normal, presión normal, en presencia de agua, que se aplicará a la captura de luz solar para fotocatálisis, "dijo Thomann, un profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática, de ciencia de materiales y nanoingeniería y de química en Rice.

Thomann ha estado trabajando para desarrollar nuevas herramientas para medir nanomateriales desde que llegó a Rice en 2012. Ella y su equipo están desarrollando un sistema de espectroscopia láser ultrarrápido que puede leer las firmas ópticas de procesos químicos de corta duración que son relevantes para la fotosíntesis artificial.

"En una reacción química, hay reactivos, cuáles son los insumos químicos, y hay productos, cuales son las salidas, ", Dijo Thomann." Casi todas las reacciones impulsadas por la luz implican varios pasos en los que la luz se convierte en partículas cuánticas, como electrones o fonones, que deben transportarse a las superficies para impulsar las reacciones químicas. Es muy útil saber exactamente cuáles son, cuándo se fabrican y en qué cantidad, especialmente si está optimizando un proceso para uso industrial ".

El grupo de Thomann diseña nanopartículas activadas por luz que pueden capturar energía de la luz solar y usarla para iniciar reacciones químicas. Los nanocatalizadores, que pueden ser pequeñas varillas o discos de metal u otros materiales, interactúan con la luz debido en parte a sus formas y a lo cerca que están espaciados entre sí. Thomann dijo que si bien los ingenieros hacen todo lo posible para producir partículas uniformes, todavía existen pequeñas imperfecciones que pueden tener consecuencias importantes en el rendimiento.

"Los fotocatalizadores suelen ser heterogéneos, lo que significa que no todos son exactamente iguales, y necesitamos mejores herramientas para examinarlos con alta resolución espacial a fin de ver estas pequeñas diferencias, ", dijo." También tenemos que seguir los procesos de reacción con alta resolución temporal, y queremos hacer todo esto con una resolución espacial mucho mejor que la que se puede lograr con un microscopio óptico normal ".

En los experimentos de microscopía de fuerza inducida por fotones, El equipo de Thomann utilizó una pequeña punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) para mejorar la resolución espacial de las mediciones tomadas de nanobarras y nanodiscos de oro en superficies de vidrio. Las varillas y los discos, que son más pequeños que la longitud de onda de la luz utilizada para medirlos, normalmente sería borroso en un microscopio óptico debido a una propiedad física llamada límite de difracción. Para resolver mejor las nanopartículas, y las interacciones electromagnéticas entre ellos, El grupo de Thomann ilumina las partículas y usa una punta de AFM para probar cómo estas nanopartículas actúan como nanoantenas ópticas y concentran la luz.

"Si intentáramos medir la luz reflejada, sería muy difícil porque solo hay unos pocos fotones dispersos contra un fondo muy ajetreado donde la luz rebota por todo el lugar, 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 ejemplo, including the entire tip in the model made the mathematics impractical.

"I did try, en primer lugar, 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, " ella dijo.