Kullan muokkaus johtaa uusiin elektronisiin ja optisiin ominaisuuksiin

Kullalla on ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ansiosta ratkaiseva rooli modernissa edistyneessä teknologiassa.

Uusi tutkimus osoittaa nyt, että materiaalin fyysisen rakenteen – sen morfologian – muuttaminen voi parantaa perustavanlaatuisesti sekä sen sähköistä käyttäytymistä että sen kykyä olla vuorovaikutuksessa valon kanssa.

”Tämä saattaa mahdollistaa kemiallisten reaktioiden, kuten vedyn tuotannossa tai hiilen talteenotossa käytettyjen reaktioiden, tehokkuuden parantamisen”, sanoo Tlek Tapani, yksi tutkimuksen johtavista tutkjoista.

Tutkijat työskentelivät nanohuokoisen kullan, laboratoriossa tuotetun metamateriaalin, kanssa. Sienimäisen rakenteensa ansiosta nanohuokoisella kullalla on teknisissä sovelluksissa jopa paremmat ominaisuudet kuin tavallisella kiinteällä kullalla.

Tutkimuksessa havaittiin, että ohut nanohuokoisesta kullasta valmistettu kalvo on vuorovaikutuksessa valon kanssa tavoilla, joihin kiinteä kulta ei pysty. Altistamalla "kultasieni" ultralyhyille laserpulsseille havaittiin, että huokoinen rakenne antaa materiaalille mahdollisuuden absorboida enemmän valoenergiaa laajemmalla spektrillä.

Tämän seurauksena elektroneista tulee huomattavasti energisempiä. Elektronilämpötilan arvioitiin nousevan nanohuokoisessa kalvossa noin 3200 K:iin (~2900 °C:een) verrattuna strukturoimattoman kultakalvon vain 800 K:iin (~500 °C:een) samoissa olosuhteissa. "Kuumien" elektronien jäähtyminen ja palautuminen alkuperäiseen tilaansa huoneenlämmössä kestää myös kauemmin.

”Näin kohonneet elektronilämpötilat mahdollistavat valon indusoimia siirtymiä, jotka muuten olisivat lähes mahdottomia”, sanoo Nicolò Maccaferri, artikkelin vanhempi kirjoittaja. Uumajan yliopiston edistyneiden mittausinstrumenttien avulla tutkijat pystyivät vahvistamaan, että nämä ainutlaatuiset käyttäytymismallit johtuvat yksinomaan materiaalin fyysisestä muodosta eivätkä itse kullan elektronirakenteen muutoksista.

Kokeet viittaavat siihen, että nanohuokoisia rakenteita voidaan käyttää uutena suunnitteluparametrina edistyneissä teknologioissa käytettävien materiaalien suunnittelussa. Muuttamalla systemaattisesti täyttökerrointa (kullan ja ilman suhdetta "sienessä") tutkijat voivat säätää paitsi kullan myös muiden metallien sähköistä käyttäytymistä hallitusti, mikä voisi parantaa kemiallisten reaktioiden tehokkuutta.

”Tutkimuksemme osoittaa, että manipuloimalla materiaalin arkkitehtuuria nanotasolla voimme käyttää itse rakennetta suunnitteluparametrina”, sanoo Nicolò Maccaferri.

”Nämä tulokset voidaan periaatteessa yleistää kaikkiin materiaaleihin, ja niillä on vaikutuksia siihen, miten suunnittelemme älykkäitä materiaaleja kestävän kehityksen ja teknologian näkökulmasta. Sovellukset ulottuvat katalyysistä energian talteenottoon, lääketieteeseen ja kvanttiakkuihin.”

Aiheesta aiemmin:

Sähköisten ominaisuuksien hallitseminen atomitasolla

Ylikuumentunut kulta selviää entropiakatastrofista

Elektroniikkaromusta kultaa edullisesti