Некоторое время назад ученые и инженеры создали специальные материалы, которые позволяют ускорять химические процессы под воздействием света. Это открытие имеет большие последствия для промышленности ― такие материалы можно применять в разных устройствах: от систем очистки воздуха до создания топливных ячеек.

Принцип работы заключается в том, что под воздействием света в таких материалах образуются электронные вакансии, проще говоря, места, где отсутствует электрон. Такая ситуация позволяет запустить химическую реакцию. При этом создание наноразмерных систем позволяет увеличить площадь поверхности, вступающей в реакцию, и повысить каталитическую активность по сравнению с объемными материалами за счет проявления квантовых эффектов. Одним из таких перспективных материалов является диоксид титана, в который для усиления фотокаталитических свойств можно внедрять наночастицы золота.

Умные пленки

Правда, изготовить такие композитные материалы не так просто. Если создание тонких пленок оксида титана уже не составляет труда, как и создание наночастиц золота, то надежной методики совмещения этих компонентов пока нет. Cложным остается размещение наночастицы в пленках оксидов, а тем более контроль их размеров и распределения. Для этой цели международной группой ученых, в состав которой вошли исследователи из Университета ИТМО, был предложен метод с применением лазерного излучения.

«Если мы воздействуем на такой материал лазерным излучением, то меняются свойства самих частиц, а также матрицы диоксида титана вокруг этой наночастицы», ― поясняет Максим Сергеев, научный сотрудник Университета ИТМО .

Специалисты из Университета ИТМО и Лаборатории Юбера Кюрьена провели эксперимент ― в тонкие пленки пористого диоксида титана они внедряли ионы золота с быстрым формированием частиц размерами всего несколько нанометров, а затем материал подвергался лазерной обработке. Выяснилось, что, если правильно подобрать настройки фемтосекундного лазера, его воздействия хватит, чтобы эффективно управлять процессом роста наночастиц, но не повредить материал.

«Оказалось, что управление размером наночастиц золота в полупроводниковой пленке не такая уж простая задача. Совместно с коллегами из Франции нам удалось подобрать такие режимы лазерного воздействия, при которых наблюдается изменение размеров и распределения золотых наночастиц, а также существенная перестройка морфологии поверхности пленки и ее оптических свойств. Оказалось, что в результате вокруг выросших наночастиц могут возникать полости в пленке диоксида титана. Эти укрупненные поры появляются только при определенных режимах, когда скорость перемещения лазера очень мала», ― рассказывает Ярослава Андреева, аспирантка факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники, первый автор статьи.

«Для объяснения такого эффекта мы с коллегами из Аризонского университета разработали теоретическую модель, которая позволила определить температурное распределение в материале под действием лазера с учетом различных эффектов, в том числе резонансного поглощения на металлических частицах, локального усиления поля, фотоиндуцированной генерации свободных электронов, а также фотоэмиссии. Оказалось, что материал нагревается сильнее, если в нем есть сразу и крупные, и небольшие частицы, но все же этой температуры недостаточно для плавления и разрушения материала если правильно подобрать параметры лазера», ― поясняет Татьяна Итина, директор по исследованиям Французского научного центра в лаборатории Юбера Кьюрена и руководитель работ во Франции.

Полученные результаты позволили лучше понять механизмы формирования нанокомпозитных пленок и расширили возможность управления их свойствами. Использование лазера для таких целей существенно облегчит производство таких «позолоченных» пленок оксида титана, что облегчит их внедрение в промышленность. Однако пока говорить о том, что технология готова к внедрению, еще рано.

Статья: Andreeva Ya., Sharma N., Rudenko A., Mikhailova Ju., Sergeev M., Veiko V.P., Vocanson F., Lefkir Y., Destouches N., Itina T.E. Insights into Ultrashort Laser-Driven Au:TiO2 Nanocomposite Formation, ACS Publications. 2020/10.1021/acs.jpcc.0c01092