Исследователи из Умеоского университета обнаружили, что изменение физической структуры золота на наноуровне кардинально влияет на его взаимодействие со светом, а следовательно, и на электронные и оптические свойства. Эти открытия открывают новые перспективы для применения золота в передовых технологиях.
Золото, благодаря своим уникальным характеристикам, уже играет важную роль в современных разработках. Однако новое исследование демонстрирует, что модификация его морфологии, то есть физической формы, может значительно улучшить как электронные свойства, так и способность материала поглощать и взаимодействовать со светом.
«Это может привести к повышению эффективности химических процессов, таких как производство водорода или улавливание углерода», – отмечает Тлек Тапани, один из авторов исследования.
Ученые работали с нанопористым золотом, искусственно созданным метаматериалом, напоминающим губку. Такая пористая структура обладает лучшими свойствами для технических применений по сравнению с обычным, массивным золотом.
Эксперименты показали, что тонкая пленка нанопористого золота демонстрирует уникальное взаимодействие со светом. При воздействии сверхкоротких лазерных импульсов на “золотую губку” выяснилось, что пористая архитектура позволяет материалу поглощать больше световой энергии в более широком диапазоне длин волн.
В результате такого воздействия электроны в нанопористой пленке становятся значительно более энергичными. Было зафиксировано, что их температура достигает примерно 3200 Кельвинов (около 2900 °C), в то время как в обычной золотой пленке при тех же условиях этот показатель составляет всего 800 Кельвинов (около 500 °C). Кроме того, “горячим” электронам требуется больше времени, чтобы остыть и вернуться к своему первоначальному состоянию.
«Такие высокие температурные показатели электронов позволяют инициировать светозависимые процессы, которые в обычных условиях были бы практически невозможны», – поясняет Николо Маккаферри, руководитель исследования. «Важно отметить, что с помощью передовых методов электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии мы смогли подтвердить, что это уникальное поведение связано исключительно с физической формой материала, а не с изменениями в его электронной структуре».
Исследование демонстрирует, что нанопористая структура может служить новым параметром при разработке материалов для передовых технологий. Путем систематического изменения соотношения золота и пустот в “губке” (коэффициента заполнения) исследователи могут контролировать электронное поведение не только золота, но и других металлов, что потенциально повышает эффективность химических реакций.
«Наши выводы показывают, что, манипулируя архитектурой материала на наномасштабе, мы можем использовать саму структуру как инструмент проектирования, — подчеркивает Маккаферри. — Эти принципы, по сути, применимы к любым материалам, открывая путь к созданию “умных” материалов для устойчивого развития и новых технологий. Области применения варьируются от катализа и сбора энергии до медицины и квантовых батарей».
Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Фото: Маттиас Петтерссон
