Наноматериалы, материалы наноразмерного размера от 1 до 100 нм, приобретают все большее значение как в промышленности, так и в повседневной жизни. Их необычайно малый размер придает им уникальные свойства, которых нет у более крупных материалов. Эти свойства также специфичны для природы и окружающей среды материала. Чтобы расширить библиотеку наноматериалов, которые могут быть эффективно, безопасно и устойчиво применены в продуктах и производственных процессах, нам требуется более глубокое понимание даже мельчайших событий, происходящих на наночастицах и внутри них.

Для измерения наноматериалов ученые используют раздел метрологии, известный как нанометрология. Нанометрология измеряет масштабы длины в наномасштабе. Чтобы придать этому некоторый контекст, человеческий волос примерно в 100 000 раз шире. Когда частицы настолько малы, ученые также должны измерять события, которые происходят в течение всего лишь долей секунды. Например, явление, называемое фотовозбуждением, обычно происходит за пикосекунды, или одну триллионную долю секунды. Поэтому для измерения этих почти мгновенных событий необходимы специализированные устройства.

Исследовательская группа, возглавляемая преподавателями Университета Нагои, доцентом Макото Кувахарой из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) и Лирой Мидзуно, Риной Екои и Хидео Моришитой из Высшей школы инженерии, исследовала, могут ли они изучать такие процессы фотовозбуждения, происходящие на отдельных наночастицах. В сотрудничестве со старшими исследователями Hitachi Hightech Ltd. они разработали сверхбыстрый электронный микроскоп, объединив полупроводниковый фотокатод с поверхностью с отрицательным сродством к электрону, впервые разработанный Университетом Нагои, с электронным микроскопом общего назначения. С помощью полученного микроскопа, созданного путем объединения этих технологий, мы можем наблюдать события на наноуровне. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Applied Physics Letters.

Для получения наночастиц группа использовала химически синтезированные золотые наноуглероды. Золото подходит для таких экспериментов, потому что это благородный металл. Это означает, что он стабилен в различных условиях. Электроны в наночастицах золота проявляют явление, называемое "плазмонным резонансом". Когда наночастица золота подвергается фотовозбуждению с определенной длиной волны света, электроны в наночастице начинают двигаться или колебаться. Это усиливает свет, превращая наночастицу золота в яркую антенну. По этой причине поверхностные плазмоны на золоте регулярно используются для зондирования и представляют большой интерес для преобразования энергии.

Плазмоны в наночастицах золота могут быть фотовозбуждены с помощью сверхбыстрого лазера в новом специально созданном сверхбыстром электронном микроскопе, одновременно позволяя ученым наблюдать отдельные наночастицы золота. Исследователи исследовали два различных плазмонных явления, применив свою новую технику. Сначала они наблюдали релаксацию плазмонов на поверхности, что является хорошо изученным процессом. Однако их новая методика также позволила им увидеть изменения в плазмонах внутри золотых наночастиц, даже несмотря на то, что свет достигал только поверхности наночастиц. Это первый случай, когда технология выявила процесс релаксации этих плазмонов внутри наночастиц золота, что имеет важные последствия для подготовки материалов, улавливающих свет, для преобразования энергии. Недавно разработанный метод должен помочь анализировать потенциальные материалы, выявляя сверхбыстрое взаимодействие света и материи.

"Понимая такие явления, как процессы фотовозбуждения и релаксации, а также перенос энергии, мы можем улучшить фотореактивные свойства и повысить эффективность", - объясняет Кувахара. "В частности, это может быть мощным инструментом для захвата индивидуальных временных изменений в небольших конструкционных материалах с пространственным разрешением (например, тех, которые превышают субмикрометры). Этого было трудно достичь с помощью обычных аналитических методов, использующих импульсные лазеры в качестве зондов", - продолжил он. "Мы ожидаем, что это достижение позволит анализировать фотоэлектрические и термоэлектрические преобразовательные материалы и применяемые к ним устройства, которые способствуют энергосбережению. Наши исследования должны быть полезны для разработки устройств преобразования световой энергии, биосенсоров и термоэлектрических преобразователей".

Финансирование: Это исследование было поддержано грантом в помощь научным исследованиям, Фундаментальные исследования (A) (21H04637), который начался в 2021 финансовом году.