Les chimistes de RIKEN ont découvert pourquoi la lumière brillante sur les nanoparticules d'argent provoque la rupture des molécules d'oxygène attachées à leurs surfaces. Cette idée aidera les chercheurs à concevoir de nouveaux catalyseurs qui exploitent l'énergie lumineuse.

Lorsque des nanoparticules métalliques sont éclairées par la lumière, les molécules qui leur sont attachées réagissent plus vite que d'habitude ou participent à des réactions qu'elles ne subiraient pas normalement. De telles réactions induites par la lumière sont un moyen prometteur de convertir la lumière du soleil en énergie chimique, mais leur application est retardée du fait que personne ne sait exactement comment ils se produisent.

Ce que l'on sait, c'est que la lumière brillante sur une nanoparticule métallique excite les électrons de conduction dans le métal, les faisant danser en synchronisation les uns avec les autres. Ces plasmons de surface localisés, comme on les appelle, intensifier le champ électrique à proximité de la nanoparticule. Quelques femtosecondes plus tard (une femtoseconde =10 ^-15 seconde), un électron énergétique (« chaud ») et un trou (un électron manquant) se forment dans la nanoparticule. Finalement, le plasmon se désintègre, dégageant de la chaleur.

Parce que cette série d'événements se produit très rapidement à petite échelle, il est extrêmement difficile de déterminer quel aspect - le champ électrique accru du plasmon de surface, les électrons chauds et les trous, ou la chaleur - joue le rôle le plus important dans une réaction particulière induite par la lumière.

Maintenant, Emiko Kazuma du RIKEN Surface and Interface Science Laboratory et ses collègues ont montré que, dans le cas de molécules d'oxygène adsorbées sur des surfaces d'argent, le facteur critique est les électrons chauds et les trous, avec les trous contribuant beaucoup plus que les électrons. Lié à cela, ils ont découvert que la structure électronique de la molécule adsorbée est l'un des facteurs les plus importants pour déterminer le mécanisme de réaction.

Pour faire ces constatations, l'équipe a utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour à la fois imager des molécules d'oxygène uniques sur les surfaces d'argent et induire la réaction en excitant un plasmon de surface à l'espace entre la surface d'argent et une pointe STM en or avec une irradiation lumineuse. La capacité d'imager des molécules uniques était cruciale pour leur succès. « Pratiquement tous les groupes travaillant dans le domaine des réactions plasmoniques utilisent des techniques macroscopiques telles que la chromatographie en phase gazeuse et la spectroscopie infrarouge qui mesurent des paramètres moyennés, " dit Kazuma. " Mais parce que les plasmons sont fortement localisés près de la surface du métal, nous voulions visualiser la réaction dans cette zone minuscule pour découvrir le mécanisme."

L'équipe a l'intention d'utiliser leurs découvertes pour manipuler la voie de réaction. "Jusque là, nos études se sont concentrées sur la révélation du mécanisme réactionnel, mais dans l'étape suivante, nous essaierons de contrôler la réaction en ajustant la structure électronique de la molécule adsorbée, " dit Kazuma.