Les chercheurs du NIST ont exploré avec des détails sans précédent une nouvelle race de catalyseurs qui permettent certaines réactions chimiques, qui nécessitent normalement une chaleur élevée, procéder à température ambiante. Les catalyseurs à économie d'énergie utilisent la lumière du soleil ou une autre source lumineuse pour exciter les plasmons de surface localisés (LSP) - oscillations de groupes d'électrons à la surface de certaines nanoparticules métalliques, comme l'or, argent et aluminium. L'énergie dérivée des oscillations du LSP entraîne des réactions chimiques entre les molécules qui adhèrent aux nanoparticules.

Les scientifiques avaient déjà montré que l'hydrogène moléculaire peut être divisé en ses atomes individuels par l'énergie générée par les oscillations du LSP. L'équipe du NIST a maintenant découvert une deuxième réaction induite par le LSP qui se déroule à température ambiante. Dans cette réaction, Les LSP excités dans des nanoparticules d'or transforment deux molécules de monoxyde de carbone en carbone et en dioxyde de carbone. La réaction, qui nécessite ordinairement une température minimale de 400 degrés C., joue un rôle important dans la conversion du monoxyde de carbone en matériaux à base de carbone largement utilisés tels que les nanotubes de carbone et le graphite.

Sonder les nanoparticules avec un faisceau d'électrons et combiner les données avec des simulations, les chercheurs du NIST ont localisé les sites sur les nanoparticules d'or où les réactions se sont produites. Ils ont également mesuré l'intensité des LSP et cartographié la façon dont l'énergie associée aux oscillations variait d'un endroit à l'autre à l'intérieur des nanoparticules. Les mesures sont des étapes clés pour comprendre le rôle des LSP pour initier des réactions à température ambiante, atténuant le besoin de chauffer les échantillons.

Wei-Chang Yang du NIST et du NanoCenter de l'Université du Maryland, avec Henri Lezec et Renu Sharma et d'autres collaborateurs, décrivent leur travail dans le 15 avril Matériaux naturels .

Les scientifiques se sont appuyés sur des dépôts de carbone solide - l'un des produits de la réaction du monoxyde de carbone qu'ils ont étudié - comme marqueurs des emplacements exacts sur les nanoparticules d'or où la réaction a eu lieu. L'équipe a découvert que la réaction se concentrait à l'intersection où les molécules de monoxyde de carbone adhèrent préférentiellement aux nanoparticules d'or et où l'amplitude du champ électrique associé aux LSP était la plus élevée. Bien que de nombreux LSP puissent être excités par la lumière du soleil, l'équipe a choisi un faisceau d'électrons pour déclencher les oscillations et a étudié la réaction du monoxyde de carbone dans un microscope électronique à transmission à balayage pouvant fonctionner dans un environnement à température ambiante.

Les résultats, dit Sharma, jeter les bases de la recherche d'autres systèmes qui exploitent directement la lumière du soleil pour générer des LSP dans des nanoparticules afin de conduire des réactions chimiques à température ambiante. En réduisant la consommation d'énergie, de tels systèmes pourraient avoir un impact énorme sur l'industrie et l'environnement.