El control de campos electromagnéticos fuertes en nanopartículas es la clave para desencadenar reacciones moleculares específicas en sus superficies. Tal control sobre campos fuertes se logra a través de la luz láser. Aunque en el pasado se ha observado la formación y ruptura de enlaces moleculares en superficies de nanopartículas inducidas por láser, aún no se ha logrado el control óptico nanoscópico de las reacciones superficiales. Un equipo internacional dirigido por el Dr. Boris Bergues y el Prof. Matthias Kling en la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en colaboración con la Universidad de Stanford ahora ha cerrado esta brecha. Los físicos determinaron por primera vez la ubicación de las reacciones moleculares inducidas por la luz en la superficie de nanopartículas de dióxido de silicio aisladas utilizando pulsos de láser ultracortos.

Hay ajetreo y bullicio en la superficie de las nanopartículas. Las moléculas se acoplan, se disuelven y cambian de ubicación. Todo esto impulsa reacciones químicas, cambia la materia e incluso da lugar a nuevos materiales. Los eventos en el nanocosmos se pueden controlar con la ayuda de campos electromagnéticos. Esto ahora ha sido demostrado por un equipo dirigido por el Dr. Boris Bergues y el Prof. Matthias Kling del Ultrafast Electronics and Nanophotonics Group. Con este fin, los investigadores utilizaron fuertes pulsos de láser de femtosegundo para generar campos localizados en las superficies de nanopartículas aisladas. Un femtosegundo es una millonésima de una billonésima de segundo.

Usando la llamada nanoscopía de reacción, una nueva técnica desarrollada recientemente en el mismo grupo, los físicos pudieron obtener imágenes del sitio de reacción y el lugar de nacimiento de los fragmentos moleculares en la superficie de las nanopartículas de sílice, a una resolución superior a 20 nanómetros. Los científicos lograron el control espacial nanoscópico, que se puede lograr con una resolución aún mayor, al superponer los campos de dos pulsos láser con diferente color y controlar la forma de onda y la polarización. Por lo tanto, tuvieron que establecer el tiempo de retardo entre los dos pulsos con una precisión de attosegundos. Un attosegundo sigue siendo mil veces más corto que un femtosegundo. Al interactuar con esta luz personalizada, la superficie de las nanopartículas y las moléculas adsorbidas allí se ionizaron en sitios específicos, lo que provocó la disociación de las moléculas en diferentes fragmentos.

"Las reacciones moleculares de la superficie de las nanopartículas desempeñan un papel fundamental en la nanocatálisis. Podrían ser la clave para la producción de energía limpia, en particular a través de la división fotocatalítica del agua", explica Matthias Kling. "Nuestros resultados también allanan el camino para el seguimiento de las reacciones fotocatalíticas en nanopartículas no solo con una resolución espacial nanométrica, sino también con una resolución temporal de femtosegundos. Esto proporcionará información detallada sobre los procesos superficiales en las escalas espaciales y temporales naturales de su dinámica", añade Boris. Bergués.

Los científicos anticipan que este nuevo y prometedor enfoque se puede aplicar a numerosos materiales nanoestructurados aislados complejos. Su estudio se publica en Optica . + Explora más

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