Es tut sich was auf den Nanoteilchen

Starke elektromagnetische Felder auf Nanopartikeln zu kontrollieren ist der Schlüssel, um auf deren Oberflächen gezielt molekulare Reaktionen auszulösen. Eine solche Kontrolle über Starkfelder erreicht man über Laserlicht. Zwar wurden in der Vergangenheit eine laserinduzierte Entstehung und Brechung von molekularen Bindungen auf Nanopartikeloberflächen beobachtet, doch eine nanoskopische optische Kontrolle von Oberflächenreaktionen wurde bisher nicht erreicht. Ein internationales Team um Dr. Boris Bergues und Prof. Matthias Kling an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Zusammenarbeit mit der Stanford University hat diese Lücke nun geschlossen. Die Physiker bestimmten erstmals den Ort von lichtinduzierten molekularen Reaktionen auf der Oberfläche von isolierten Siliziumdioxid-Nanopartikeln mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen.

Es herrscht Trubel auf der Oberfläche von Nanopartikeln. Moleküle docken an, lösen sich und verändern ihren Aufenthaltsort. Das alles treibt chemische Reaktionen an, verändert Materie und lässt sogar neue Materialien entstehen. Das Geschehen im Nanokosmos lässt sich mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern kontrollieren. Das hat nun ein Team um Dr. Boris Bergues und Prof. Matthias Kling aus der Ultraschnellen Elektronik und Nanophotonik Gruppe gezeigt. Das Team hat mittels starker, Femtosekunden-langer Laserpulse hierfür lokale Felder auf den Oberflächen isolierter Nanopartikel erzeugt. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde.

Mit Hilfe der so genannten Reaktions-Nanoskopie, einer neuen Technik, die kürzlich in der gleichen Gruppe entwickelt wurde, waren die Physiker in der Lage, den Reaktionsort und den Geburtsort von Molekülfragmenten auf der Oberfläche von Siliziumdioxid-Nanopartikeln abzubilden - und dies mit einer Auflösung besser als 20 Nanometer. Die nanoskopische örtliche Kontrolle, die mit noch höherer Auflösung erreichbar ist, bewirkten die Wissenschaftler, indem sie die Felder von zwei Laserpulsen mit unterschiedlicher Farbe, kontrollierter Wellenform und Polarisation überlagerten. Hierbei mussten sie den Zeitversatz zwischen den beiden Pulsen mit einer Genauigkeit von Attosekunden einstellen. Eine Attosekunde ist noch tausend Mal kürzer als eine Femtosekunde. Bei der Wechselwirkung mit diesem maßgeschneiderten Licht wurden die Oberfläche der Nanoteilchen und die dort adsorbierten Moleküle an gezielten Stellen ionisiert, wobei die Moleküle in verschiedene Fragmente aufgespalten wurden. 

„Molekulare Oberflächenreaktionen auf Nanopartikeln spielen in der Nanokatalyse eine grundlegende Rolle. Sie könnten ein Schlüssel zur sauberen Energiegewinnung sein, insbesondere mittels photokatalytischer Wasserspaltung“, erläutert Matthias Kling. „Unsere Ergebnisse ebnen den Weg, um photokatalytische Reaktionen auf Nanopartikeln in Zukunft nicht nur räumlich mit Nanometerauflösung, sondern auch zeitlich mit Femtosekundenauflösung zu verfolgen. Dies wird detaillierte Einblicke in die Dynamik von Oberflächenprozessen auf deren natürlichen Raum- und Zeitskalen ermöglichen“, ergänzt Boris Bergues.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich dieser vielversprechende neue Ansatz auf zahlreiche komplexe isolierte nanostrukturierte Materialien anwenden lässt.