Se sabe desde hace cientos de años que la luminiscencia, o la emisión de fotones por una sustancia expuesta a la luz, ocurre en materiales semiconductores como el silicio. El comportamiento a nanoescala de los electrones a medida que absorben y luego reemiten luz puede decir mucho a los investigadores sobre las propiedades de los semiconductores, razón por la cual a menudo se utilizan como sondas para caracterizar procesos electrónicos, como los que ocurren dentro de las células solares.

En 1969, los científicos descubrieron que todos los metales tienen algún grado de luminiscencia, pero los años transcurridos desde entonces no lograron comprender claramente cómo ocurre esto. El renovado interés en esta emisión de luz, impulsado por el mapeo de temperatura a nanoescala y las aplicaciones fotoquímicas, ha reavivado el debate sobre sus orígenes. Pero la respuesta aún no estaba clara... hasta ahora.

"Desarrollamos películas de oro metálico de muy alta calidad, lo que nos coloca en una posición única para dilucidar este proceso sin los factores de confusión de experimentos anteriores", dice Giulia Tagliabue, directora del Laboratorio de Nanociencia para Tecnologías Energéticas (LNET) de la Escuela. de Ingeniería.

En un estudio reciente publicado en Light:Science &Applications , Tagliabue y el equipo de LNET enfocaron rayos láser en las películas de oro extremadamente delgadas (entre 13 y 113 nanómetros) y luego analizaron el tenue brillo resultante.

Los datos generados a partir de sus experimentos precisos fueron tan detallados (y tan inesperados) que colaboraron con teóricos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona, ​​la Universidad del Sur de Dinamarca y el Instituto Politécnico Rensselaer (EE. UU.) para reelaborar y aplicar modelos de mecánica cuántica. métodos.

El enfoque integral de los investigadores les permitió resolver el debate sobre el tipo de luminiscencia que emana de las películas (fotoluminiscencia), que se define por la forma específica en que los electrones y sus homólogos con carga opuesta (agujeros) se comportan en respuesta a la luz. También les permitió producir el primer modelo completo y totalmente cuantitativo de este fenómeno en el oro, que se puede aplicar a cualquier metal.

Efectos cuánticos inesperados

Tagliabue explica que, utilizando una fina película de oro monocristalino producida con una novedosa técnica de síntesis, el equipo estudió el proceso de fotoluminiscencia a medida que hacían el metal cada vez más delgado. "Observamos ciertos efectos de la mecánica cuántica que surgían en películas de hasta aproximadamente 40 nanómetros, lo cual fue inesperado, porque normalmente, en un metal, no se ven tales efectos hasta que se baja muy por debajo de los 10 nm", dice.

Estas observaciones proporcionaron información espacial clave sobre exactamente dónde ocurrió el proceso de fotoluminiscencia en el oro, lo cual es un requisito previo para el uso del metal como sonda. Otro resultado inesperado del estudio fue el descubrimiento de que la señal fotoluminiscente (Stokes) del oro podría usarse para sondear la temperatura de la superficie del material, una gran ayuda para los científicos que trabajan en la nanoescala.

"Para muchas reacciones químicas en la superficie de los metales, existe un gran debate sobre por qué y bajo qué condiciones ocurren estas reacciones. La temperatura es un parámetro clave, pero medir la temperatura a nanoescala es extremadamente difícil, porque un termómetro puede influir en la medición. Por lo tanto, es una gran ventaja poder sondear un material utilizando el propio material como sonda", afirma Tagliabue.

Un estándar de oro para el desarrollo de combustible solar

Los investigadores creen que sus hallazgos permitirán utilizar metales para obtener información detallada sin precedentes sobre las reacciones químicas, especialmente aquellas involucradas en la investigación energética. Metales como el oro y el cobre (el próximo objetivo de investigación del LNET) pueden desencadenar ciertas reacciones clave, como la reducción del dióxido de carbono (CO₂ ) de nuevo en productos a base de carbono, como los combustibles solares, que almacenan la energía solar en enlaces químicos.

"Para combatir el cambio climático, vamos a necesitar tecnologías para convertir el CO₂ en otras sustancias químicas útiles de una forma u otra", dice el postdoctorado de LNET Alan Bowman, primer autor del estudio.

"Usar metales es una forma de hacerlo, pero si no entendemos bien cómo ocurren estas reacciones en sus superficies, entonces no podemos optimizarlas. La luminiscencia ofrece una nueva forma de entender lo que sucede en estos metales. ."