La industria química consume mucha energía, no solo para iniciar reacciones sino también para separar productos de subproductos. En un prometedor campo de investigación emergente, Los científicos de todo el mundo están tratando de utilizar antenas a nanoescala para capturar y concentrar la luz en pequeños volúmenes con el fin de iniciar reacciones químicas de manera más eficiente y sostenible.

Los investigadores de AMOLF descubrieron cómo tales antenas a nanoescala mejoran la velocidad de las reacciones químicas. También descubrieron que el uso de diferentes colores de luz puede provocar reacciones químicas completamente diferentes.

"Esta investigación sigue siendo muy fundamental, pero muestra que podría ser posible diseñar un reactor químico alimentado por luz solar con estas nano antenas y en el que se puedan elegir diferentes reacciones y, por lo tanto, diferentes productos finales. Esto tiene implicaciones económicas y ambientales potencialmente enormes, "dice Eitan Oksenberg, un postdoctorado en el grupo de células solares a nanoescala dirigido por Erik Garnett en AMOLF. Publicarán estos hallazgos en Nanotecnología de la naturaleza el 4 de octubre 2021.

En la interfaz de la química y la óptica, Recientemente ha surgido un nuevo campo de investigación que investiga el proceso de la llamada fotocatálisis plasmónica. En este proceso, La capacidad excepcional de las nanoestructuras metálicas para concentrar la luz en volúmenes sub-nanoescalares se utiliza para iniciar reacciones químicas. "Esta investigación sigue siendo fundamental, pero el concepto es muy atractivo. Una razón es que muchas reacciones químicas industriales ya están catalizadas en la superficie de los metales, "dice Oksenberg." La idea es que si concentras la luz ambiental en volúmenes muy pequeños, se obtienen puntos calientes de reacción en los que no se necesitan altas temperaturas o presiones para que se produzca una reacción química eficaz ".

Resolviendo ambigüedades

Por muy emocionante que sea, el progreso en el campo se ve obstaculizado por la ambigüedad en torno al mecanismo exacto que impulsa la reacción química. Oksenberg:"Cuando las partículas metálicas a nanoescala se exponen al color de luz adecuado, actúan como antenas que capturan y concentran la luz en un volumen muy pequeño, que puede provocar una reacción química. Los científicos todavía están debatiendo si tales reacciones son impulsadas directamente por la luz concentrada, por los electrones de alta energía formados en el metal, o por el calor que se acumula en el metal cuando los electrones disipan su energía ".

Ajuste de reacciones químicas

Oksenberg y sus colegas desarrollaron una forma de discriminar experimentalmente entre los diferentes mecanismos de conducción posibles. "No es sencillo investigar lo que está sucediendo en la superficie de las nanopartículas metálicas porque la antena muestra una interacción mucho más fuerte con la luz que las moléculas que experimentan la reacción química". ", explica." Sin embargo, cuando las moléculas cambian en la superficie de la nanopartícula de metal, provocan pequeños cambios en la antena, como su color y ancho de banda. Midiendo el reflejo de la luz de más de mil nanopartículas metálicas individuales, podemos monitorear de cerca estos cambios a lo largo del tiempo para tener una idea de la cinética de la reacción química ".

Los investigadores esperaban poder descubrir cómo las nano-antenas metálicas mejoran exactamente las reacciones químicas, pero encontraron que hay varias formas. "Incluso en nuestro sistema químico muy simple, vimos que se producen diferentes mecanismos de conducción con diferentes colores de luz, conduciendo a distintas reacciones químicas. Esto significa que es posible ajustar los productos de la reacción química eligiendo el color de la luz ".

Química selectiva

Este descubrimiento es muy prometedor para futuras aplicaciones que utilicen antenas de nanopartículas metálicas en química. Oksenberg señala, "Como científico, Estoy emocionado por la capacidad de sintonizar una reacción química con la luz y por la riqueza de la química que estamos empezando a descubrir. Si podemos ampliar nuestra investigación a otros colores de luz fuera del espectro visible, incluso podríamos encontrar vías químicas completamente nuevas que se pueden activar con resonancias plasmónicas. Esto tiene el potencial de convertirse en una tecnología disruptiva. Un reactor químico basado en los principios que descubrimos, no solo es muy rápido y muy específico, pero también requiere condiciones muy sencillas, como la temperatura ambiente, mientras que solo necesitan la luz solar como fuente de energía. La posibilidad de hacer la industria química más eficiente y sostenible con este concepto, tiene enormes implicaciones económicas y ambientales ".