Une nanoparticule dans le champ d'une impulsion laser femtoseconde avec une forme d'onde et une polarisation adaptées. L'amplification contrôlée du champ dans des régions nanoscopiques spécifiques de la nanoparticule (taches jaunes) induit des réactions photochimiques sélectives de site des molécules adsorbées sur la surface. L'imagerie des fragments moléculaires émis par ces régions permet un contrôle tout optique des sites de réaction avec une résolution nanométrique. Crédit :RMT.Bergues
Le contrôle des champs électromagnétiques puissants sur les nanoparticules est la clé pour déclencher des réactions moléculaires ciblées sur leurs surfaces. Un tel contrôle des champs forts est réalisé via la lumière laser. Bien que la formation et la rupture induites par laser de liaisons moléculaires sur des surfaces de nanoparticules aient été observées dans le passé, le contrôle optique nanoscopique des réactions de surface n'a pas encore été atteint. Une équipe internationale dirigée par le Dr Boris Bergues et le professeur Matthias Kling de la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) et de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) en collaboration avec l'Université de Stanford a désormais comblé cette lacune. Les physiciens ont déterminé pour la première fois l'emplacement des réactions moléculaires induites par la lumière à la surface de nanoparticules de dioxyde de silicium isolées à l'aide d'impulsions laser ultracourtes.
Il y a de l'agitation à la surface des nanoparticules. Les molécules s'amarrent, se dissolvent et changent d'emplacement. Tout cela entraîne des réactions chimiques, modifie la matière et donne même naissance à de nouveaux matériaux. Les événements dans le nanocosmos peuvent être contrôlés à l'aide de champs électromagnétiques. Cela vient d'être démontré par une équipe dirigée par le Dr Boris Bergues et le Prof. Matthias Kling du groupe Ultrafast Electronics and Nanophotonics. À cette fin, les chercheurs ont utilisé de fortes impulsions laser femtoseconde pour générer des champs localisés sur les surfaces de nanoparticules isolées. Une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde.
Grâce à la nanoscopie dite de réaction, une nouvelle technique récemment développée dans le même groupe, les physiciens ont pu imager le site de réaction et le lieu de naissance de fragments moléculaires à la surface de nanoparticules de silice, à une résolution meilleure que 20 nanomètres. Le contrôle spatial nanoscopique, réalisable à une résolution encore plus élevée, a été réalisé par les scientifiques en superposant les champs de deux impulsions laser de couleur différente, et en contrôlant la forme d'onde et la polarisation. Ainsi, ils devaient régler le délai entre les deux impulsions avec une précision de l'attoseconde. Une attoseconde est encore mille fois plus courte qu'une femtoseconde. Lors de l'interaction avec cette lumière adaptée, la surface des nanoparticules et les molécules qui y sont adsorbées ont été ionisées au niveau des sites ciblés, entraînant la dissociation des molécules en différents fragments.
"Les réactions moléculaires de surface sur les nanoparticules jouent un rôle fondamental dans la nanocatalyse. Elles pourraient être la clé de la production d'énergie propre, notamment via la séparation photocatalytique de l'eau", explique Matthias Kling. « Nos résultats ouvrent également la voie au suivi des réactions photocatalytiques sur les nanoparticules non seulement avec une résolution spatiale nanométrique, mais également avec une résolution temporelle femtoseconde. Cela fournira des informations détaillées sur les processus de surface aux échelles spatiales et temporelles naturelles de leur dynamique », ajoute Boris Bergues.
Les scientifiques prévoient que cette nouvelle approche prometteuse pourra être appliquée à de nombreux matériaux nanostructurés isolés complexes. Leur étude est publiée dans Optica . Un aperçu ultrarapide de la photochimie de l'atmosphère
