Svelato il mistero della brillantezza dell’oro

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Immagine in luce bianca di una scaglia d’oro al microscopio (spessore 79 n
Immagine in luce bianca di una scaglia d’oro al microscopio (spessore 79 nm), utilizzando un laser con lunghezza d’onda di 488 nm. (immagine: EPFL)
Gli scienziati dell’EPFL hanno sviluppato il primo modello completo degli effetti quantomeccanici alla base della fotoluminescenza in sottili pellicole d’oro. Questa scoperta potrebbe favorire lo sviluppo di carburanti e batterie solari.

È noto da centinaia di anni che la luminescenza, ovvero l’emissione di fotoni da una sostanza esposta alla luce, si verifica nei materiali semiconduttori come il silicio. Il comportamento degli elettroni su scala nanometrica, mentre assorbono e riemettono luce, può fornire molte informazioni sulle proprietà dei semiconduttori. Per questo motivo i semiconduttori sono spesso utilizzati come sonde per caratterizzare i processi elettronici, come quelli che avvengono nelle celle solari.

Nel 1969 gli scienziati hanno scoperto che tutti i metalli sono più o meno luminescenti. Tuttavia, anni dopo questa scoperta, il fenomeno non era ancora pienamente compreso. Il rinnovato interesse per questa emissione luminosa, spinto dalla mappatura termica su scala nanometrica e dalle applicazioni fotochimiche, ha riacceso il dibattito sulle sue origini. Ma la risposta non era ancora chiara, fino ad oggi.

"Abbiamo sviluppato pellicole d’oro metallico di altissima qualità, il che ci ha messo in una posizione unica per comprendere questo processo senza i fattori confondenti degli esperimenti precedenti", spiega Giulia Tagliabue, responsabile del Laboratorio di Nanoscienze per le Tecnologie Energetiche ( LNET ) della Facoltà di Ingegneria.

In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Light: Science and Applications , Giulia Tagliabue e il team del Laboratorio LNET hanno diretto i raggi laser su pellicole d’oro estremamente sottili, di dimensioni comprese tra i 13 e i 113 nanometri, analizzando poi il debole bagliore ottenuto. Dopo i precisi esperimenti, gli scienziati hanno ottenuto dati così dettagliati e inaspettati da collaborare con i teorici dell’Istituto di Scienza e Tecnologia di Barcellona, dell’Università della Danimarca Meridionale e del Rensselaer Polytechnic Institute (USA) per rielaborare e applicare i metodi di modellazione della meccanica quantistica.

Grazie al loro approccio globale, gli scienziati sono riusciti a porre fine al dibattito sul tipo di luminescenza emanata dai film - la fotoluminescenza - che è definita dal modo specifico in cui gli elettroni e le loro controparti di carica opposta (buchi) si comportano in risposta alla luce. Questo approccio ha anche permesso di produrre il primo modello completo e pienamente quantitativo di questo fenomeno nell’oro, che può essere applicato a qualsiasi metallo.

Effetti quantistici inaspettati

Giulia Tagliabue spiega che, utilizzando un sottile film di oro a cristallo singolo prodotto da una nuova tecnica di sintesi, il team ha studiato il processo di fotoluminescenza mentre affinava il metallo. "Abbiamo osservato alcuni effetti quantomeccanici in film che misurano fino a circa 40 nanometri. Questo è stato inaspettato perché normalmente, per un metallo, non si osservano tali effetti fino a molto al di sotto dei 10 nm", spiega l’autrice.

Queste osservazioni hanno fornito informazioni importanti sulla posizione esatta in cui si verifica il processo di fotoluminescenza nell’oro, un prerequisito per utilizzare il metallo come sonda. Lo studio ha anche scoperto che il segnale fotoluminescente (Stoke) dell’oro può essere usato per sondare la temperatura della superficie del materiale, un vantaggio per gli scienziati che lavorano su scala nanometrica.

"Si discute molto sul perché e sulle condizioni in cui avvengono molte reazioni chimiche sulla superficie dei metalli. La temperatura è un parametro importante, ma è estremamente difficile misurarla su scala nanometrica, perché un termometro può influenzare la misurazione. È quindi un enorme vantaggio poter sondare un materiale usandolo come sonda", spiega Giulia Tagliabue.

Un riferimento per lo sviluppo di combustibili solari

Secondo gli scienziati, le loro scoperte permetteranno di utilizzare i metalli per ottenere informazioni di una precisione senza precedenti sulle reazioni chimiche, in particolare quelle coinvolte nella ricerca energetica. Metalli come l’oro e il rame - il prossimo obiettivo di ricerca del Laboratorio LNET - possono innescare alcune reazioni essenziali, come la riduzione dell’anidride carbonica (CO2) in prodotti a base di carbonio come i combustibili solari, che immagazzinano l’energia solare sotto forma di legami chimici.

"Per combattere il cambiamento climatico, avremo bisogno di tecnologie in grado di convertire la CO2 in altre sostanze chimiche utili", spiega Alan Bowman, borsista presso il Laboratorio LNET e autore principale dello studio.

"L’uso dei metalli è un modo per raggiungere questo obiettivo, ma se non riusciamo a spiegare correttamente come avvengono le reazioni sulla loro superficie, non possiamo ottimizzarli. La luminescenza offre un nuovo modo di capire cosa accade in questi metalli".

Riferimenti

Bowman, A.R., Rodríguez Echarri, A., Kiani, F. et al. Effetti quantomeccanici nella fotoluminescenza di sottili pellicole cristalline di oro. Light Sci Appl 13, 91 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377­’024 -01408-2