Ученые измерили органическими «датчиками» температурный эффект плазмона в химических реакциях

| 710

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из российских и зарубежных научных центров нашли способ оценить температуру химической реакции, активируемой псевдочастицами — плазмонами. Сверхмалыми датчиками, или термометрами, выступали две органические молекулы. По словам ученых, эксперименты имеют большое фундаментальное значение: помимо самого факта оценки температуры с помощью молекул, удалось продемонстрировать, что свойства плазмона как активатора химических реакций зависят не только от термических эффектов. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Science (IF: 9, 346; Q1).

Плазмон — это псевдочастица, представляющая собой сочетание колеблющихся электронов и связанного с ними электромагнитного поля. Плазмоны возникают в твердых наноразмерных телах вблизи их поверхности. Их использование как активаторов химической реакции позволяет проводить превращения при комнатной температуре под действием солнечного света.

«То есть если обычно реакция протекает, например, при 100 °С, то при использовании энергии плазмона можно провести ее при комнатной температуре. Это и более экономично, и экологично. Но почему плазмон запускает химические реакции? За счет чего он их ускоряет? Эти простые, казалось бы, вопросы вызывают жаркие дискуссии в научном мире, на них нет однозначного ответа, и каталитическая природа плазмона не ясна. Мы пытаемся найти ответы.

Серьезным шагом стали результаты, опубликованные нашей научной группой в журнале Chemical Science», — говорит один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Согласно основным теориям, плазмоны играют роль катализаторов из-за термических эффектов, или, наоборот, их функция никак не связана с температурой. В первом случае наночастица металла выступает в роли маленького нанокипятильника. Он локально и на короткий промежуток времени нагревает молекулы, но этот нагрев нельзя отследить стандартными методами, он просто незаметен.

«Ряд исследователей сходятся во мнении, что ключевая роль отводится комбинации разных эффектов. Наш коллектив в их числе. В своих предыдущих работах мы уже ставили под сомнение исключительную роль нагревания. И нужен был способ, как измерить температуру реакции около одной молекулы, чтобы понять, есть там повышение температуры или нет. Ранее исследователи использовали физические методы, мы впервые предложили использовать в качестве датчиков, или термометров, специфические молекулы — алкоксиамины. Эксперимент проводился на хорошо изученной реакции их гомолиза. Это реакция с разрывом связи, в данном случае из молекулы алкоксиамина получаются две частицы — радикалы», — говорит ученый.

Для эксперимента исследователи взяли наночастицы золота, к которым химически «привязали» молекулы алкоксиаминов с разной химической структурой. Затем их облучили лазером, чтобы «запустить» работу плазмонов (они генерируются под действием света) и, соответственно, реакцию разрыва связей в молекулах алкоксиаминов. Оказалось, что две молекулы распадались с разной скоростью, а по скорости реакции была вычислена локальная температура. Для одной молекулы температура была равна 96 °С, а для другой — 118 °С.

«О чем нам говорит эта разница в температурах? Так как молекулы алкоксиаминов разные по структуре, то без нагрева реагировать они должны по-разному, а при нагреве — с одинаковой скоростью. То есть если бы плазмон работал только как кипятильник, и вся суть его работы заключалась только в нагреве молекулы, то температура реакций была бы одинаковая. Но она разная, а это значит, что плазмон делает еще что-то, чтобы ускорять реакцию. Что именно — нам только предстоит узнать.

Это очень серьезный фундаментальный вопрос, ответ на который позволит лучше понять механизм работы плазмонов и в дальнейшем прогнозировать и управлять течением процесса. А уже это в свою очередь станет фундаментальной базой для разработки новых методов и получения материалов»,— поясняет Павел Постников.

Среди авторов статьи ученые из Университета Экс-Марсель (Франция), Университета химии и технологии Праги (Чехия) и Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Исследование поддержано грантом программы повышения конкурентоспособности ТПУ.