Молекулы как переключатели для управления светом в нанотехнологиях

Металлические наноструктуры способны концентрировать свет настолько сильно, что могут запускать химические реакции. Ключевую роль в этом процессе играют плазмоны — коллективные колебания свободных электронов в металле, которые концентрируют энергию в чрезвычайно малых объёмах. Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, насколько важны адсорбированные молекулы для определения скорости, с которой эти плазмоны теряют свою энергию.

Схема молекулярных систем и экспериментальной установки. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.aea0585

Команда под руководством нанофизиков из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) доктора Андрея Стефанчу и профессора Эмилиано Кортеса идентифицировала два принципиально разных механизма так называемого химического интерфейсного затухания (CID) — демпфирования плазмонов, вызванного адсорбированными молекулами. То, какой механизм доминирует, зависит от того, как электронные состояния молекулы соотносятся с состояниями поверхности металла, в данном случае золота, и это соотношение даже отражается на электрическом сопротивлении материала.

Два идентифицированных механизма

В первом механизме молекула поглощает энергию напрямую и резонансно: если энергия плазмона совпадает с незанятым электронным состоянием молекулы, электрон может немедленно перейти в это состояние. Этот процесс чрезвычайно быстрый и сильно зависит от цвета (энергии) падающего света.

Второй механизм работает без такого резонансного перехода. Вместо этого электроны подвергаются диффузному, неупругому рассеянию на границе раздела между поверхностью золота и молекулой. Это рассеяние заставляет плазмоны терять энергию и увеличивает электрическое сопротивление постоянному току золота. Исследование показывает, что этот процесс рассеяния и затухание плазмонов тесно связаны.

Полученные результаты объединяют два явления, которые ранее изучались отдельно: электрические поверхностные эффекты и плазмонный перенос энергии. Они демонстрируют, что поток энергии между светом, металлом и молекулами можно целенаправленно контролировать, просто выбирая, какие молекулы адсорбируются на поверхности. Это открывает новые возможности для светоуправляемого катализа, сенсорных технологий и энергоэффективных химических процессов.

«Эти открытия показывают, что поток энергии в наномасштабе можно настраивать с помощью молекулярного дизайна, открывая новые возможности для передачи технологий и практического применения. Это важный шаг на пути к устойчивым процессам, которые используют солнечный свет для запуска химических реакций, включая производство топлива и ценных химических веществ», — заявляет профессор Кортес.

Исследование стало возможным благодаря международному сотрудничеству с участием учёных из Имперского колледжа Лондона, Университета Ла-Лагуна на Тенерифе и Университета Райса, работавших вместе с командой LMU.

Больше информации: Andrei Stefancu et al, Optical and electrical probing of plasmonic metal-molecule interactions, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.aea0585

Источник: Ludwig Maximilian University of Munich