Создан новый нанокомпозитный материал из золота и оксида титана

Учёные из Университета ИТМО совместно с коллегами из Франции и США показали, что при помощи фемтосекундного лазера можно управлять структурой и свойствами нанокомпозитного материала из диоксида титана и наночастиц золота.
Создан новый нанокомпозитный материал из золота и оксида титана

Оксиды металлов зачастую используются в роли фотокатализаторов для различных систем. Например, для очистки воздуха, реакций разложения воды и даже для производства самоочищающихся покрытий для стёкол и зеркал. Улучшить физико-химические свойства этих веществ можно при помощи наночастиц, после добавления которых обычный оксид превращается в наноматериал, дающий новые возможности. Однако чтобы эффективно добавлять наночастицы, необходимо понимать процессы, происходящие при формировании нанокомпозитов, и уметь управлять ими.

Некоторое время назад ученые и инженеры создали специальные материалы, которые позволяют ускорять химические процессы под воздействием света. Такие материалы можно применять в самых разных устройствах: от систем очистки воздуха до создания топливных ячеек. Одним из таких перспективных материалов является диоксид титана, в который для усиления фотокаталитических свойств можно внедрять наночастицы золота, и над этим в том числе работают сотрудники Университета ИТМО.

Правда изготовить такие композитные материалы не так-то просто. Если создание тонких пленок оксида титана уже не составляет труда (как и создание наночастиц золота), то надежной методики совмещения этих компонентов пока нет. Cложным остается размещение наночастицы в пленках оксидов, а тем более контроль их размерами и распределением. Для этой цели международной группой ученых, в состав которой вошли исследователи из Университета ИТМО, был предложен метод с применением лазерного излучения.

«Если мы воздействуем на такой материал лазерным излучением, то меняются свойства самих частиц, а также матрицы диоксида титана вокруг этой наночастицы», – поясняет научный сотрудник Университета ИТМО Максим Сергеев.

Специалистами из Университета ИТМО и Лаборатории Юбера Кюрьена был проведен эксперимент: в тонкие пленки пористого диоксида титана внедряли ионы золота с быстрым формированием частиц размерами всего несколько нанометров, а затем материал подвергался лазерной обработке. Выяснилось, что если правильно подобрать настройки фемтосекундного лазера, то его воздействия хватит, чтобы эффективно управлять процессом роста наночастиц, но не повредить материал. В частности если скорость перемещения лазера мала, вокруг выросших наночастиц могут возникать полости в плёнке диоксида титана. Работа опубликована в журнале ACS The Journal of Physical Chemistry C.

Татьяна Итина, директор по исследованиям Французского научного центра в лаборатории Юбера Кьюрена и руководитель работ во Франции, поясняет: «Для объяснения такого эффекта мы с коллегами из Аризонского университета разработали теоретическую модель, которая позволила определить температурное распределение в материале под действием лазера с учетом различных эффектов, в том числе резонансного поглощения на металлических частицах, локального усиления поля, фотоиндуцированной генерации свободных электронов, а также фотоэмиссии. Оказалось, что материал нагревается сильнее, если в нём есть сразу и крупные, и небольшие частицы, но всё же этой температуры недостаточно для плавления и разрушения материала, если правильно подобрать параметры лазера».

Полученные результаты позволили лучше понять механизмы формирования нанокомпозитных плёнок и расширили возможность управления их свойствами. Использование лазера для данных целей существенно облегчит производство таких «позолоченных» пленок оксида титана, что облегчит их внедрение в промышленность. Однако пока говорить о том, что технология готова для применения, еще рано.

Материал предоставлен пресс-службой ИТМО