La ridistribuzione del campo elettromagnetico ha indotto una catalisi superficiale selettiva guidata dal plasmone in nanofili metallici

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 17223 (2015) Citare questo articolo

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Per la nuova interpretazione dello spettro Raman da una molecola sulla superficie metallica, le reazioni di catalisi superficiale guidata dal plasmone (PDSC) sono diventate un argomento interessante nel campo di ricerca dello scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS). In questo lavoro, le reazioni selettive PDSC del p,p'-dimercaptoazobenzene (DMAB) prodotto da para-amminotiofenolo (PATP) o 4-nitrobenzentiolo (4NBT) sono state dimostrate nei sistemi di film dimero-Au di nanofili di Ag. I diversi spettri SERS raccolti su singole parti e su parti adiacenti dello stesso sistema nanofili-pellicola hanno sottolineato l'importanza della ridistribuzione del campo elettromagnetico indotta dalla carica dell'immagine sulla pellicola in questa catalisi superficiale selettiva, che è stata confermata dall'effetto elettromagnetico simulato distribuzioni di campo. Il nostro risultato ha indicato che questa catalisi superficiale selettiva indotta dalla ridistribuzione del campo elettromagnetico era in gran parte influenzata dalla polarizzazione e dalla lunghezza d’onda della luce incidente, ma leggermente dalla differenza di diametro tra due nanofili. Il nostro lavoro fornisce un'ulteriore comprensione della reazione PDSC nella nanostruttura metallica e potrebbe essere un profondo supporto per le ricerche sulla catalisi superficiale e sull'analisi superficiale.

A causa delle proprietà affascinanti di manipolare la luce sotto la lunghezza d'onda, il plasmone sperimenta una rapida espansione dall'inizio di questo secolo e come interdisciplinare emergente attira un enorme interesse da parte dei ricercatori scientifici non solo nel campo della fisica, ma anche della chimica, biologia, materialologia, ecc. 2,3. Questa fantastica capacità di delimitare la luce ha origine dall'oscillazione collettiva degli elettroni liberi vicino alla superficie metallica eccitata dalla luce, chiamata polaritoni plasmonici di superficie (SPP). La generazione di SPP nelle nanostrutture metalliche determina una distribuzione non uniforme dei campi elettromagnetici vicino alla superficie metallica. Quando si verifica l'oscillazione di risonanza degli elettroni liberi, detta risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR), questa non uniforme raggiunge il massimo e fa sì che il campo elettromagnetico in alcune aree vicine alla superficie metallica diventi estremamente potenziato. Questo campo elettromagnetico estremamente potenziato comporta un notevole miglioramento dell'efficienza di vari processi ottici sulle superfici, come lo scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS)4,5,6, la catalisi superficiale guidata da plasmonici (PDSC)7,8,9,10, la generazione di elettroni11,12, effetti della seconda armonica13,14, intrappolamento plasmonica15,16, attività ottica potenziata plasmonica9,17,18, sensore plasmonica19,20,21, ecc.

Tra questi fenomeni ottici potenziati dal plasmonico, le ricerche sui PDSC hanno un importante significato teorico e prospettive applicative. Negli ultimi vent'anni, i tre picchi Raman aggiuntivi del PATP adsorbiti sulla superficie metallica a 1143, 1390 e 1432 cm−1 sono stati comunemente considerati il ​​risultato del potenziamento chimico nel SERS. Tuttavia, nel 2009 i ricercatori hanno teoricamente ipotizzato che questi tre Raman provenissero dalla nuova molecola DMAB ma non da PATP e che ci fosse un progresso nella fotocatalisi sulla superficie metallica chiamato PDSC22, che fu presto dimostrato nello stesso anno sulla superficie del film di Ag e delle nanosfere di Ag8,23 . Nei successivi cinque anni, le ricerche in quest'area hanno esplorato rapidamente diverse nanostrutture metalliche (Au, Ag, Cu) come nanofili24, nanosfere25, film di nanoparticelle26 ed è stata anche segnalata un'altra reazione PDSC di DMAB generata da 4NBT7. Esplorare le caratteristiche delle molecole e della superficie metallica nella reazione PDSC è la missione chiave di questo campo scientifico che è abbastanza importante per distinguere i segnali SERS dai bersagli di origine o dalla nuova molecola catalizzata.

Poiché questo processo di catalisi superficiale richiede SPP ad alta energia per rompere il legame chimico (NH in PATP e NO in 4NBT), lo stato degli SPP vicino alla molecola è piuttosto importante per le reazioni PDSC. Come noto, il fattore di struttura della superficie metallica domina le proprietà degli SPP1,27. Pertanto, verificare il processo PDSC in varie nanostrutture metalliche è la questione cruciale in quest'area. A causa della costruzione semplice e della fabbricazione conveniente, i sistemi di nanoparticelle metalliche e pellicole sono i substrati SERS ampiamente utilizzati nel rilevamento chimico e biologico20,28. Negli ultimi due anni, è stato segnalato che la ridistribuzione del campo elettromagnetico causata dall'accoppiamento della carica superficiale sulle nanoparticelle e della carica dell'immagine sulla pellicola nei sistemi ha dimostrato che l'energia luminosa confinata potrebbe essere modulata in diverse aree sub-lunghezza d'onda attraverso la manipolazione della lunghezza d'onda della luce incidente29, 30,31. Pertanto, lo studio dell'influenza della ridistribuzione del campo elettromagnetico sulle reazioni PDSC rappresenta un'interessante ricerca di frontiera in campi correlati.