Les oxydes de différents métaux servent souvent de photocatalyseurs dans divers systèmes tels que la purification de l'air, réactions de décomposition de l'eau et même dans la production de surfaces autonettoyantes pour le verre et les miroirs. Les propriétés physico-chimiques de ces matériaux peuvent être améliorées en ajoutant des nanoparticules, qui transforment un oxyde ordinaire en un nanomatériau doté de nouvelles capacités. Pour réussir cela, cependant, il est nécessaire de comprendre les processus en cours lors de la formation d'un nanocomposite, et pouvoir les contrôler. Des chercheurs de l'Université ITMO et leurs collègues de France et des États-Unis ont démontré comment un laser femtoseconde peut être utilisé pour régler la structure et les propriétés nanocomposites de films de dioxyde de titane remplis de nanoparticules d'or. L'article a été publié dans l'ACS Journal de chimie physique C .

Il y a quelque temps, les scientifiques et les ingénieurs ont créé un certain nombre de matériaux spéciaux capables d'accélérer les processus chimiques lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Ces découvertes ont de grandes implications pour l'industrie - de tels matériaux peuvent être utilisés dans une grande variété d'appareils, des purificateurs d'air aux piles à combustible. Un de ces matériaux prometteurs est le dioxyde de titane, qui peut être infusé avec des nanoparticules d'or pour améliorer ses propriétés photocatalytiques. Les recherches dans ce domaine sont menées par des chercheurs de l'Université ITMO.

En réalité, la fabrication de tels matériaux composites reste un défi. Des films minces de dioxyde de titane et de nanoparticules d'or peuvent être créés séparément, mais la méthode de combinaison de ces deux composants reste à établir. Il y a certaines difficultés à placer des nanoparticules à l'intérieur des films d'oxyde, et il est encore plus difficile de contrôler leur taille et leur distribution. Un groupe international de chercheurs, dont ceux de l'Université ITMO, a suggéré d'utiliser le rayonnement laser pour atteindre cet objectif. "Si nous soumettons ces matériaux à un rayonnement laser, les particules d'or et les matrices de dioxyde de titane qui les entourent changent leurs propriétés, " explique Maksim Sergueïev, chercheur associé à l'ITMO.

Les chercheurs de l'Université ITMO et du Laboratoire Hubert Curien ont réalisé une expérience, où des films minces de dioxyde de titane poreux étaient imprégnés d'ions d'or formant rapidement des particules à l'échelle de quelques nanomètres. Puis, le matériau a été soumis à un rayonnement laser. Il s'est avéré qu'avec l'irradiation laser femtoseconde correctement choisie, il est possible de contrôler efficacement la croissance des nanoparticules sans endommager le matériau. Par exemple, si le laser se déplace à très faible vitesse, des cavités peuvent se former autour des nanoparticules nouvellement développées dans le film de dioxyde de titane.

"En collaboration avec des chercheurs de l'Université de l'Arizona, nous avons développé un modèle pour expliquer cet effet qui nous a aidé à déterminer le champ de température dans le matériau lorsqu'il était soumis à un rayonnement laser. Le modèle a considéré l'absorption résonante sur les particules métalliques, valorisation du terrain local, génération photoinduite d'électrons non liés, et photoémission. Le matériau s'est avéré plus chaud lorsqu'il contenait à la fois des particules plus petites et plus grosses, bien que sa température n'était pas encore assez élevée pour faire fondre ou détruire le matériau pour les paramètres laser correctement choisis, " élabore Tatiana Itina, Directeur de recherche au Laboratoire Hubert Curien du Centre National de la Recherche Scientifique.

À la suite d'expériences et de simulations, les chercheurs peuvent désormais mieux comprendre les mécanismes de formation des films nanocomposites et avoir plus de possibilités de contrôler leurs propriétés. L'utilisation de lasers à ces fins simplifiera la production de ces films de dioxyde de titane "plaqués or", ce qui facilitera leur mise en œuvre dans l'industrie. À l'heure actuelle, cependant, la technologie est loin d'être prête et des études complémentaires sont en cours.