Исследователи из Университета ИТМО вместе с коллегами из Франции и США показали, что с помощью фемтосекундного лазера можно управлять структурой и свойствами нанокомпозита на основе диоксида титана и наночастиц золота. Результаты исследования опубликованы в The Journal of Physical Chemistry C.

Фотокатализаторы — это специальные материалы, которые при воздействии света могут понижать энергию активации реакции, тем самым увеличивая ее скорость. Такие соединения оказываются полезны в ряде различных устройств — от систем по очистке воздуха до топливных элементов. Один из таких материалов — диоксид титана. Он обладает рядом интересных свойств и в том числе способен катализировать химические реакции при действии света. Однако для этого необходимо внедрение в структуру TiO₂ атомов другого металла, например золота.

Но создать такие композиты нелегко. Если получить тонкую пленку оксида титана и вырастить наночастицы золота сегодня нетрудно, то способа совместить эти материалы ученые до сих пор не создали. Главная сложность — размещение наночастиц в пленках оксида, а также контроль их размеров и распределения. Чтобы преодолеть это, российские ученые вместе с зарубежными коллегами разработали новый метод, основанный на воздействии лазерного излучения на материал. По словам авторов работы, при такой обработке изменяются свойства не только самих частиц золота, но и матрицы из диоксида титана, в которую они были внедрены.

В ходе работы ученые внедряли ионы золота в тонкие пленки пористого диоксида титана так, что в матрице формировались частицы радиусом всего в несколько нанометров, после чего материал подвергался лазерной обработке. Исследователи выяснили, что при правильно подобранных настройках фемтосекундного лазера он может эффективно управлять процессом роста наночастиц, не повреждая при этом сам материал.

«Чтобы объяснить такой эффект, мы с коллегами из Аризонского университета создали теоретическую модель, которая позволила определить распределение температур в материале при действии на него лазера. Эта модель учитывает различные эффекты, в том числе резонансное поглощение на металлических частицах, локальное усиление поля, фотоиндуцированную генерацию свободных электронов, а также фотоэмиссию. Согласно ей, материал нагревается сильнее, если в его структуре присутствуют сразу и крупные, и небольшие частицы, но этой температуры все равно недостаточно для плавления и разрушения материала при оптимально подобранных параметрах лазерного луча», — говорит одна из авторов работы, директор по исследованиям в лаборатории Юбера Кьюрена Национального центра научных исследований Франции (CNRS) Татьяна Итина.