05.07.2022 - University of Cambridge

Einatomige Traktorstrahlen treiben die chemische Katalyse an

Erschließung neuer Wege, um Licht kraftvoll wirken zu lassen und chemische Umwandlungen voranzutreiben

Durch das Einfangen von Licht in winzigen Lücken, die nur wenige Atome breit sind, hat ein Team des NanoPhotonics Centre die optischen Kräfte um das Tausendfache vergrößert - stark genug, um Atome in Positionen zu zwingen, die chemische Reaktionen effizienter machen.

"Wir haben einen neuen Weg gefunden, die Kräfte des Lichts so zu verstärken, dass Metallatome bewegt werden können, und das ist der Schlüssel, um die Energiebarriere zu senken, damit die Katalyse leichter funktioniert", erklärt der Co-Leiter Shu Hu.

Schwache Traktorstrahlen werden zur Herstellung optischer Pinzetten verwendet, die biologische Prozesse mit eng gebündelten Lichtstrahlen untersuchen können, die transparente Mikroobjekte aus Glas oder Polymer einfangen. Aber um mit Licht einzelne Atome aus Festkörpern herauszuziehen, sind viel stärkere Kräfte erforderlich. Jetzt hat ein Team des NanoPhotonics Centre im Cavendish Laboratory einen Weg aufgezeigt, winzige Spalten zu bauen, die die optischen Kräfte des sichtbaren Lichts verstärken. Sie verwenden diese, um einzelne Goldatome aus einem Kristall herauszuziehen, sie nahe an eine molekulare Bindung heranzuführen und die Auswirkungen auf ihr Flattern und ihre Schwingungen direkt zu beobachten. Die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichten Ergebnisse zeigen neue Wege auf, wie man Licht stark wirken lassen kann, und geben Anregungen für neue Ansätze zur Steuerung chemischer Umwandlungen.

Indem sie in ihren Experimenten jeweils eine Bindung beobachten, vermeiden sie eine Mittelwertbildung über eine Vielzahl verschiedener Effekte. "Einzelne Metallatome sind der Amboss, auf dem die Katalyse neue chemische Bindungen schmiedet", verspricht Prof. Jeremy Baumberg, "und wir können damit beginnen, diesen Prozess zu beobachten und zu kontrollieren". Die Katalyse ist entscheidend für alle vom Menschen hergestellten Chemikalien und Polymere.

"Es ist, als ob man den wunderschönen Tanz eines Atoms und eines Moleküls in Echtzeit beobachten könnte", so Hu.

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