Il mistero della lucentezza dell’oro svelato dalla scienza: ed è una buona notizia per il clima - METEO GIORNALE: primo sito meteo italiano di Previsioni Meteo
La fotoluminescenza nei film sottili d’oro: una nuova frontiera per la ricerca energetica
Un recente studio condotto presso l’EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) ha portato alla creazione del primo modello dettagliato che spiega gli effetti quantistici alla base della fotoluminescenza nei film sottili d’oro. Questa scoperta rappresenta un passo avanti significativo nello sviluppo di combustibili solari e batterie.
La luminescenza, ovvero il processo mediante il quale le sostanze emettono fotoni quando esposte alla luce, è stata a lungo osservata in materiali semiconduttori come il silicio. Tale fenomeno coinvolge elettroni a livello nanometrico che assorbono luce per poi rilasciarla. Questo comportamento fornisce ai ricercatori preziose informazioni sulle proprietà dei semiconduttori, rendendoli strumenti utili per indagare processi elettronici, come quelli presenti nelle celle solari.
Nel 1969, gli scienziati scoprirono che tutti i metalli presentano una certa luminescenza, ma negli anni successivi non si è giunti a una comprensione chiara di come ciò avvenga. L’interesse rinnovato per questa emissione luminosa, guidato da applicazioni nella mappatura della temperatura a scala nanometrica e nella fotochimica, ha riacceso il dibattito sulle sue origini. La risposta, tuttavia, è rimasta incerta fino ad oggi.
“Abbiamo sviluppato film d’oro metallico di altissima qualità, che ci ha messi in una posizione unica per chiarire questo processo senza i fattori confondenti degli esperimenti precedenti,” afferma Giulia Tagliabue, responsabile del Laboratorio di Nanoscienze per le Tecnologie Energetiche (LNET) della Scuola di Ingegneria.
Nel loro recente studio pubblicato su Light: Science and Applications, Tagliabue e il team LNET hanno focalizzato fasci laser su film d’oro estremamente sottili – tra i 13 e i 113 nanometri – e poi analizzato il debole bagliore risultante. I dati generati dai loro esperimenti precisi erano così dettagliati – e così inaspettati – che hanno collaborato con teorici dell’Istituto di Scienze e Tecnologie di Barcellona, dell’Università del Sud della Danimarca e del Rensselaer Polytechnic Institute (USA) per rielaborare e applicare metodi di modellizzazione meccanico-quantistica.
L’approccio completo dei ricercatori ha permesso loro di risolvere il dibattito sulla tipologia di luminescenza emanata dai film – fotoluminescenza – che è definita dal modo specifico in cui elettroni e le loro controparti caricate negativamente (buche) si comportano in risposta alla luce. Ciò ha anche permesso loro di produrre il primo modello completo e quantitativo di questo fenomeno nell’oro, applicabile a qualsiasi metallo.
Effetti quantistici inaspettati
Tagliabue spiega che, utilizzando un film sottile di oro monocristallino prodotto con una nuova tecnica di sintesi, il team ha studiato il processo di fotoluminescenza man mano che il metallo diventava più sottile. “Abbiamo osservato certi effetti meccanico-quantistici emergere in film fino a circa 40 nanometri, il che era inaspettato, perché normalmente per un metallo, non si vedono tali effetti fino a quando non si scende ben al di sotto dei 10 nm,” afferma.
Queste osservazioni hanno fornito informazioni spaziali chiave su dove esattamente avviene il processo di fotoluminescenza nell’oro, prerequisito per l’uso del metallo come sonda. Un altro risultato inaspettato dello studio è stata la scoperta che il segnale fotoluminescente (Stokes) dell’oro può essere utilizzato per sondare la temperatura superficiale del materiale stesso – un vantaggio per gli scienziati che lavorano a scala nanometrica.
“Per molte reazioni chimiche sulla superficie dei metalli, vi è un grande dibattito su perché e in quali condizioni queste reazioni si verificano. La temperatura è un parametro chiave, ma misurare la temperatura a scala nanometrica è estremamente difficile, perché un termometro può influenzare la misurazione. Quindi, è un enorme vantaggio poter sondare un materiale utilizzando il materiale stesso come sonda,” dice Tagliabue.
Un punto di riferimento per lo sviluppo di combustibili solari
I ricercatori ritengono che le loro scoperte consentiranno di utilizzare i metalli per ottenere informazioni dettagliate senza precedenti sulle reazioni chimiche, in particolare quelle coinvolte nella ricerca energetica. Metalli come l’oro e il rame – prossimo obiettivo di ricerca del LNET – possono innescare alcune reazioni chiave, come la riduzione dell’anidride carbonica (CO2) in prodotti a base di carbonio come i combustibili solari, che immagazzinano l’energia solare nei legami chimici.
“Per combattere il cambiamento climatico, avremo bisogno di tecnologie per convertire la CO2 in altri prodotti chimici utili in un modo o nell’altro,” afferma Alan Bowman, postdoc del LNET e primo autore dello studio.
“L’uso dei metalli è un modo per farlo, ma se non abbiamo una buona comprensione di come queste reazioni avvengano sulle loro superfici, allora non possiamo ottimizzarle. La luminescenza offre un nuovo modo per comprendere cosa sta accadendo in questi metalli.”
Riferimento: “Effetti meccanico-quantistici nella fotoluminescenza da film sottili d’oro cristallino” di Alan R. Bowman, Alvaro Rodríguez Echarri, Fatemeh Kiani, Fadil Iyikanat, Ted V. Tsoulos, Joel D. Cox, Ravishankar Sundararaman, F. Javier García de Abajo e Giulia Tagliabue, 19 aprile 2024, Light: Science & Applications.
DOI: 10.1038/s41377-024-01408-2
