Genom att ändra den fysiska strukturen i guld på nanonivå kan forskare drastiskt påverka hur materialet interagerar med ljus och därmed dess elektroniska och optiska egenskaper. Det visar en studie från Umeå universitet publicerad i Nature Communications.
Guld spelar en viktig roll i dagens avancerade teknik tack vare sina unika egenskaper. Nu visar ny forskning att man genom att förändra materialets fysiska form, dess morfologi, kan förbättra både dess elektroniska beteende och förmågan att samspela med ljus.
– Det här kan göra det möjligt att öka effektiviteten i kemiska reaktioner, till exempel sådana som används vid vätgasproduktion eller koldioxidinfångning, säger Tlek Tapani, en av de ledande forskarna bakom studien och doktorand vid Institutionen för fysik.
Forskarna har arbetat med nanoporöst guld, ett så kallat metamaterial som framställs i laboratoriemiljö. Tack vare sin svampliknande struktur har nanoporöst guld ännu bättre egenskaper för tekniska tillämpningar än vanligt massivt guld.
Absorberar mer ljusenergi
I studien observerade forskarna att en tunn film av nanoporöst guld samspelar med ljus på ett sätt som massivt guld inte kan. När den porösa ”guldsvampen” utsattes för ultrakorta laserpulser visade det sig att strukturen tillåter materialet att absorbera mer ljusenergi över ett bredare spektrum.
Det här leder till att elektronerna blir betydligt mer energirika. Den elektroniska temperaturen uppskattades till omkring 3200 K (~2900 °C) I den nanoporösa filmen, jämfört med endast 800 K (~500 °C) i den ostrukturerade film som användes som referens, under samma förhållanden. Dessutom tar det längre tid för de ”heta” elektronerna att kylas ned och återgå till sitt ursprungliga tillstånd vid rumstemperatur.
– Så pass höga elektroniska temperaturer möjliggör ljusinducerade övergångar som annars vore näst intill omöjliga. Intressant nog kunde vi, med hjälp av avancerad elektronmikroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) här vid Umeå universitet, bekräfta att de här unika beteendena enbart beror på materialets fysiska form och inte på förändringar i guldets elektroniska struktur, säger Nicolò Maccaferri, forskningsledare i gruppen Ultrasnabb Nanovetenskap vid Institutionen för fysik och senior författare till artikeln.
Fungerar även på andra material
Experimenten visar att den nanoporösa strukturen kan användas som en ny designparameter när man utvecklar material för avancerad teknik. Genom att systematiskt variera fyllnadsgraden (förhållandet mellan guld och luft i ”svampen”) kan forskare styra inte bara guldets utan även andra metallers elektroniska beteende på ett kontrollerat sätt, vilket kan leda till effektivare kemiska reaktioner.
– Vår forskning visar att vi genom att manipulera ett materials arkitektur på nanonivå kan använda själva strukturen som ett designverktyg. Resultaten kan i princip generaliseras till alla material och har betydelse för hur vi utvecklar smarta material för hållbarhet och teknik som går att använda inom allt från katalys till energiutvinning, medicin och kvantumbatterier, säger Nicolò Maccaferri.
Bild: I laserlaboratoriet testar Tlek Tapani och Nicolò Maccaferri hur porös struktur gör att guld kan ta upp mer ljusenergi än vanligt guld
Foto: Mattias Pettersson
