Los óxidos de diferentes metales a menudo sirven como fotocatalizadores en diversos sistemas, como la purificación del aire, las reacciones de descomposición del agua.
Las propiedades físico-químicas de tales materiales pueden mejorarse agregando nanopartículas, que convierten un óxido ordinario en un nanomaterial con nuevas capacidades.
Sin embargo, para realizar esto con éxito, es necesario comprender los procesos que se desarrollan mientras se forma un nanocompuesto para poder controlarlos.
Investigadores de la Universidad ITMO junto con sus colegas de Francia y EE. UU. han demostrado cómo se puede usar un láser de femtosegundo para ajustar la estructura y las propiedades de nanocompuestos de las películas de dióxido de titanio llenas de nanopartículas de oro.
Hace algún tiempo, los científicos e ingenieros crearon una serie de materiales especiales capaces de acelerar los procesos químicos cuando se exponen a la luz.
Estos descubrimientos tienen grandes implicaciones para la industria: tales materiales se pueden usar en una amplia variedad de dispositivos, desde purificadores de aire hasta celdas de combustible.
Uno de esos materiales prometedores es el dióxido de titanio, que se puede infundir con nanopartículas de oro para mejorar sus propiedades fotocatalíticas.
De hecho, la fabricación de tales materiales compuestos sigue siendo un desafío. Se pueden crear películas delgadas de dióxido de titanio y nanopartículas de oro por separado, pero aún no se ha establecido el método de combinación de estos dos componentes. Existen ciertas dificultades para colocar nanopartículas dentro de las películas de óxido, y es aún más difícil controlar su tamaño y distribución.
Un grupo internacional de investigadores, incluidos los de la Universidad ITMO, sugirió el uso de radiación láser para lograr este objetivo. “Si sometemos estos materiales a radiación láser, tanto las partículas de oro como las matrices de dióxido de titanio a su alrededor cambian sus propiedades”, explica Maksim Sergeev, investigador asociado de ITMO.
Los investigadores de la Universidad ITMO y el Laboratorio Hubert Curien han llevado a cabo un experimento en el que se impregnaron películas delgadas de dióxido de titanio porífero con iones de oro que forman rápidamente partículas en la escala de unos pocos nanómetros. Luego, el material fue sometido a radiación láser. Resultó que con la irradiación con láser de femtosegundo elegida adecuadamente, es posible controlar eficazmente el crecimiento de nanopartículas sin dañar el material. Por ejemplo, si el láser se mueve a una velocidad muy baja, se pueden formar cavidades alrededor de las nanopartículas recién crecidas en la película de dióxido de titanio.
“Junto con investigadores de la Universidad de Arizona, desarrollamos un modelo para explicar este efecto que nos ayudó a determinar el campo de temperatura en el material cuando fue sometido a radiación láser. El modelo consideró la absorción resonante en partículas de metal, mejora del campo local, fotoinducido generación de electrones no unidos y fotoemisión. El material se calentó más cuando contenía partículas más pequeñas y más grandes, aunque su temperatura aún no era lo suficientemente alta como para fundir o destruir el material para los parámetros láser correctamente elegidos”, explica Tatiana Itina, Director de Investigación en el Laboratorio Hubert Curien del Centro Nacional Francés de Investigación Científica.
Como resultado de ambos experimentos y simulaciones, los investigadores ahora pueden comprender mejor los mecanismos detrás de la formación de película de nanocompuestos y tienen más posibilidades de controlar sus propiedades.
El uso de láseres para estos fines simplificará la producción de tales películas de dióxido de titanio “chapadas en oro”, lo que facilitará su implementación en la industria. En este momento, sin embargo, la tecnología está lejos de estar lista y se están realizando estudios adicionales.
Noticia tomada de: Phys.org / Traducción del inglés por World Energy Trade
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