Oksenberg et ses collègues ont utilisé une configuration de nanocubes d'or sur un miroir, où un petit espace entre le cube et le miroir forme une nano-antenne qui concentre la lumière avec une couleur spécifique. Une molécule appelée bleu de méthylène est liée aux particules d'or. De petites variations dans la taille des cubes et de l'espace entraînent des variations dans la couleur de l'antenne, ce qui a des implications dramatiques pour la réaction chimique qui a lieu :alors que la lumière rouge vif (1,9 eV) coupe une partie de la molécule, l'utilisation d'une nuance de rouge légèrement plus foncée (1,7 eV) force la molécule entière à quitter la surface de la particule métallique. Crédit :Eitan Oksenberg/AMOLF
L'industrie chimique consomme beaucoup d'énergie, non seulement pour initier des réactions mais aussi pour séparer les produits des sous-produits. Dans un domaine de recherche émergent et prometteur, des scientifiques du monde entier essaient d'utiliser des antennes nanométriques pour capturer et concentrer la lumière en de minuscules volumes afin d'initier des réactions chimiques de manière plus efficace et plus durable.
Des chercheurs de l'AMOLF ont découvert comment de telles antennes nanométriques améliorent la vitesse des réactions chimiques. Ils ont également découvert que l'utilisation de différentes couleurs de lumière peut provoquer des réactions chimiques complètement différentes.
"Cette recherche est encore très fondamentale, mais cela montre qu'il pourrait être possible de concevoir un réacteur chimique alimenté par la lumière du soleil avec ces nano-antennes et dans lequel différentes réactions - et donc différents produits finaux - peuvent être choisies. Cela a des implications économiques et environnementales potentiellement énormes, " dit Eitan Oksenberg, un post-doctorat dans le groupe Nanoscale Solar Cells dirigé par Erik Garnett à AMOLF. Ils publieront ces résultats dans Nature Nanotechnologie le 4 octobre, 2021.
A l'interface de la chimie et de l'optique, un nouveau domaine de recherche a récemment émergé qui étudie le processus de ce qu'on appelle la photocatalyse plasmonique. Dans ce processus, la capacité exceptionnelle des nanostructures métalliques à concentrer la lumière dans des volumes inférieurs à l'échelle nanométrique est utilisée pour initier des réactions chimiques. "Cette recherche est encore fondamentale, mais le concept est très attractif. Une des raisons à cela est que de nombreuses réactions chimiques industrielles sont déjà catalysées à la surface des métaux, " dit Oksenberg. " L'idée est que si vous concentrez la lumière ambiante dans de très petits volumes, vous obtenez des points chauds de réaction dans lesquels une température ou une pression élevées ne sont pas nécessaires pour qu'une réaction chimique efficace se produise."
Résoudre les ambiguïtés
Aussi excitant que cela puisse être, les progrès dans le domaine sont entravés par l'ambiguïté autour du mécanisme exact qui conduit la réaction chimique. Oksenberg : « Lorsque des particules métalliques à l'échelle nanométrique sont exposées à la bonne couleur de lumière, ils agissent comme des antennes qui captent et concentrent la lumière dans un très petit volume, qui peut entraîner une réaction chimique. Les scientifiques se demandent encore si de telles réactions sont directement provoquées par la lumière concentrée, par les électrons de haute énergie formés dans le métal, ou par la chaleur qui s'accumule dans le métal lorsque les électrons dissipent leur énergie."
Réglage des réactions chimiques
Oksenberg et ses collègues ont développé un moyen de discriminer expérimentalement entre les différents mécanismes de conduite possibles. "Il n'est pas simple de sonder ce qui se passe à la surface des nanoparticules métalliques car l'antenne montre une interaction beaucoup plus forte avec la lumière que les molécules qui subissent la réaction chimique, " explique-t-il. " Cependant, lorsque les molécules changent à la surface de la nanoparticule métallique, ils provoquent de petits changements à l'antenne, comme sa couleur et sa bande passante. En mesurant la réflexion de la lumière de plus d'un millier de nanoparticules métalliques individuelles, nous pouvons surveiller de près ces changements au fil du temps pour avoir un aperçu de la cinétique de la réaction chimique."
Les chercheurs s'attendaient à pouvoir découvrir comment exactement les réactions chimiques sont améliorées par les nano-antennes métalliques, mais ils ont trouvé qu'il y a plusieurs façons. "Même dans notre système chimique très simple, nous avons vu que différents mécanismes d'entraînement se produisent à différentes couleurs de lumière, conduisant à des réactions chimiques distinctes. Cela signifie qu'il est possible d'ajuster les produits de réaction chimique en choisissant la couleur de la lumière."
Chimie sélective
Cette découverte est très prometteuse pour de futures applications utilisant des antennes à nanoparticules métalliques en chimie. Oksenberg note, « En tant que scientifique, Je suis enthousiasmé par la capacité de régler une réaction chimique avec la lumière et par la richesse de la chimie que nous commençons tout juste à découvrir. Si nous pouvons étendre nos recherches à d'autres couleurs de lumière en dehors du spectre visible, nous pourrions même trouver des voies chimiques entièrement nouvelles qui peuvent être déclenchées par des résonances plasmoniques. Cela a le potentiel de devenir une technologie perturbatrice. Un réacteur chimique basé sur les principes que nous avons découverts, est non seulement très rapide et très spécifique, mais nécessite également des conditions très simples, comme la température ambiante tout en n'ayant besoin que de la lumière du soleil comme source d'énergie. La possibilité de rendre l'industrie chimique plus efficace et durable avec ce concept, a d'énormes implications économiques et environnementales.
