Przez dziesięciolecia chemicy byli przekonani, że by zainicjować reakcję, trzeba dodać energii – zwykle w postaci ciepła, ciśnienia lub prądu elektrycznego. Ale światło może być znacznie subtelniejszym, a zarazem potężniejszym narzędziem. Zespół naukowców z University of Illinois Urbana-Champaign pokazał, że fotony potrafią uruchamiać reakcje chemiczne całkowicie innym torem niż klasyczna termodynamika.
Kluczowy jest tu proces nazwany PIRET (Plasmon-Induced Resonance Energy Transfer) – transfer rezonansowej energii ze złotej nanocząstki do pobliskiej molekuły, bez fizycznego kontaktu między nimi.
Prof. Christy Landes mówi:
Jeśli chcesz robić chemię ze światłem, musisz wykorzystać to światło jak najefektywniej. A nic nie robi tego lepiej niż nanocząstki metali, które pochłaniają i rozpraszają fotony z niezwykłą skutecznością.
Reakcja, która dzieje się “sama”
W eksperymencie opisanym w Science Advances badacze oświetlali roztwór zawierający złote nanopręty i syntetyczny niebieski barwnik. Energia światła była przekazywana kaskadowo: od fotonu do plazmonu, od plazmonu do ekscytonu w barwniku – aż wreszcie wywoływała polimeryzację, prowadząc do powstania nowego, hybrydowego materiału.
Czytaj też: Naukowcy stworzyli pomost między światłem a magnetyzmem. Oto, co potrafią kubity molekularne
Prof. Christy Landes dodaje:
Reakcja zachodzi zupełnie inaczej niż klasyczna polimeryzacja inicjowana ciepłem czy ciśnieniem. To nowy rodzaj chemii, który omija ograniczenia dotychczasowych metod.
Zespół potwierdził swoje wyniki za pomocą spektroelektrochemii pojedynczych cząstek – nowatorskiej techniki pozwalającej obserwować przepływ energii w czasie rzeczywistym w skali nanometrów. Dane spektroskopowe i obliczenia DFT potwierdziły, że energia naprawdę przepływa tą niezwykłą ścieżką, prowadząc do trwałej przemiany chemicznej.
Co najbardziej zaskakujące – proces był spontaniczny energetycznie i wymagał znacznie mniejszego napięcia niż klasyczna elektropolimeryzacja. Efektywność transferu PIRET sięgnęła 40 proc., co jak na reakcję bez kontaktu między reagentami jest wynikiem imponującym.
Prof. Stephan Link tłumaczy:
To pokazuje, że można przeprowadzić znaną reakcję zupełnie inną, nie-równowagową drogą – wyciągając energię z nanocząstek i kierując ją bezpośrednio do cząsteczek.
Źródłem pomysłu był eksperyment badacza postdoktorskiego Hyuncheola Oh, który zauważył, że podczas kontaktu nanocząstek złota z barwnikiem metylowym światło powoduje powstawanie krótkich łańcuchów – oligomerów. To pierwszy krok do stworzenia polimeru.
Badacze podkreślają, że ich metoda to dopiero początek. Zrozumienie mechanizmu PIRET może otworzyć drogę do nowych, niezwykle energooszczędnych procesów chemicznych – w tym takich, które dotąd uznawano za niemożliwe. Zespół planuje już kolejne eksperymenty – m.in. próby zastosowania tej techniki do bardziej złożonych reakcji polimeryzacyjnych i syntezy funkcjonalnych nanomateriałów.