Bessere Chemie durch winzige Antennen

02.09.2019 - Japan

Ein Forschungsteam der Universität Tokio hat eine leistungsstarke Methode vorgestellt, um chemische Bindungen aktiv zu brechen, indem es Anregungen in winzigen Antennen, die von Infrarotlasern erzeugt werden, verwendet. Dieser Prozess kann in der gesamten Chemie Anwendung finden, um chemische Reaktionen in die gewünschte Richtung zu lenken. Insbesondere die Reaktionen in den Bereichen Energie, Pharma und Produktion können durch Ertragssteigerungen bei gleichzeitiger Reduzierung von Abfall deutlich effizienter werden.

Die Chemie ist ein chaotisches Unterfangen, da es eine Vielzahl von Möglichkeiten geben kann, wie die Ausgangschemikalien reagieren können, und jeder Weg kann zur Bildung eines anderen Produkts führen. Im Laufe der Jahre haben Chemiker viele Werkzeuge entwickelt - einschließlich der Änderung von Temperatur, Konzentration, pH-Wert oder Lösungsmittel -, um die Reaktion zu beschleunigen und die Ausbeute der gewünschten Moleküle zu maximieren.

Wenn man jedoch die Fähigkeit hat, das Herstellen oder Brechen einzelner Bindungen innerhalb eines Moleküls selektiv zu kontrollieren, könnten die Wissenschaftler die Effizienz dieser Reaktionen erheblich steigern und gleichzeitig unerwünschte Nebenprodukte minimieren. "Die Fähigkeit, chemische Reaktionen auf molekularer Ebene zu kontrollieren - das heißt, die Fähigkeit, chemische Bindungen selektiv zu brechen oder zu bilden - ist ein wichtiges Ziel für Physikochemiker", sagt Erstautor Ikki Morichika.

Eine Möglichkeit, zu kontrollieren, welche Bindungen während einer chemischen Reaktion unterbrochen werden, besteht darin, Moleküle in Schwingungen zu versetzen, indem man sie mit Infrarot-Laserlicht anregt. Da jede Art von chemischer Bindung eine bestimmte Wellenlänge des Lichts absorbiert, können sie einzeln aktiviert werden. Leider ist es schwierig, genügend Energie in der gesamten Probe zu liefern, um die erforderliche Vibrationsintensität zu erzeugen. Das Team der Universität Tokio konnte dieses Problem lösen, indem es winzige, nur 300 Nanometer breite Goldantennen herstellte und mit Infrarotlasern ausleuchtete. Bei Vorhandensein von Infrarotlicht der richtigen Frequenz schwangen die Elektronen in den Antennen in Resonanz mit den Lichtwellen hin und her, was ein sehr intensives elektrisches Feld erzeugte. Dieses Phänomen wird als "plasmonische Resonanz" bezeichnet und erfordert, dass die Antennen genau die richtige Form und Größe haben. Die plasmonale Resonanz konzentrierte die Energie des Lasers auf benachbarte Moleküle, die in Schwingung gerieten. Die Vibration wurde weiter verstärkt, indem die Wellenform des Infrarotlasers so geformt wurde, dass sich die Frequenz im Laufe der Zeit schnell änderte, was an das Zirpen von Vögeln erinnert. "Dies hat erfolgreich gezeigt, dass die Kombination von ultraschneller Optik und Nano-Plasmonik für eine effiziente, selektive Schwingungsanregung nützlich ist", sagt Senior-Autor Satoshi Ashihara.

In Zukunft kann diese Technik bei der Herstellung von saubereren Kraftstoffen oder billigeren Arzneimitteln eingesetzt werden, wenn die chemischen Prozesse optimiert werden.

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Originalveröffentlichung

Ikki Morichika, Kei Murata, Atsunori Sakurai, Kazuyuki Ishii & Satoshi Ashihara; "Molecular ground-state dissociation in the condensed phase employing plasmonic field enhancement of chirped mid-infrared pulses"; Nature Communications; 2019

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