Cnr, luce e nanoparticelle per migliorare ambiente ed energia

I risultati di uno studio condotto dal Cnr, in collaborazione con altri istituti di ricerca, permetteranno di sviluppare nuovi catalizzatori per applicazioni in ambito ambientale ed energetico

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Cnr, schema dell'esperimento su una nanoparticella
Schema dell'esperimento: impulsi di luce visibile (blu) eccitano una nanoparticella di argento; il trasferimento di elettroni all'ossido circostante è studiato tramite impulsi di raggi X, ultra-brevi ed intensi (giallo) generati dal laser a elettroni liberi (immagine di Stefano Pelli Cresi)

Ad oggi l’utilizzo di tecnologie green cresce sempre di più. D’altronde, è sempre più importante in ottica futura studiare e conoscere nuove forme di approvvigionamento energetico che, allo stesso tempo, rispettino il nostro Pianeta. Ecco, quindi, arrivare una nuova scoperta nel campo. Uno studio condotto dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr), ha chiarito i meccanismi ultraveloci di trasferimento di energia all’interno di materiali per la fotocatalisi. I risultati, pubblicati con la ricerca sulla rivista Nano Letters, contribuiranno al miglioramento delle tecnologie in campo ambientale.

Nelle tecnologie verdi sono fondamentali i fotocatalizzatori, materiali che usano la luce solare per stimolare reazioni chimiche importanti per l’ambiente. I processi fisici alla base del loro funzionamento non sono ancora del tutto compresi. Ora una svolta arriva grazie alla collaborazione tra l’Istituto nanoscienze (Cnr-Nano) e l’Istituto di struttura della materia (Cnr-Ism) del Cnr, l’Università di Modena e Reggio Emilia, l’Università di Bologna ed Elettra Sincrotrone Trieste. Una ricerca chiarisce i meccanismi ultraveloci di trasferimento di energia che avvengono in materiali fotocatalizzatori ibridi. I risultati ottenuti contribuiranno a migliorare l’efficienza di nuovi materiali per la fotocatalisi applicati all’energia e all’ambiente.

Cnr, supporto ultrasottile di parilene
Supporto ultrasottile (100 nanometri) di parilene all’interno della sorgente di nanoparticelle durante la crescita del campione (foto Ufficio stampa Cnr)

I risultati dello studio

I ricercatori hanno studiato fotocatalizzatori ibridi costituiti da nanoparticelle metalliche combinate con degli ossidi semiconduttori. Come spiega la coordinatrice dello studio, Paola Luches di Cnr-Nano, «in questi materiali le nanoparticelle assorbono la luce attraverso oscillazioni collettive degli elettroni, note come risonanze plasmoniche e trasferiscono l’energia assorbita all’ossido con un meccanismo non completamente compreso, ma fondamentale per determinare la buona o cattiva efficienza del catalizzatore». Inoltre, aggiunge, «abbiamo dimostrato che le nanoparticelle metalliche trasferiscono elettroni all’ossido tramite un processo ultraveloce e molto efficiente». Questo procedimento «avviene entro un tempo brevissimo, inferiore a 200 femtosecondi (1 femtosecondo è uguale a un milionesimo di miliardesimo di secondo), dal momento in cui la luce viene assorbita».

Apparecchiature utilizzate

Misure così precise raggiunte grazie a uno strumento tra i più avanzati. Si tratta del laser a elettroni liberi FERMI di Elettra Sincrotrone Trieste.

Cnr, il laser FERMI
L’apparato sperimentale presso il laser a elettroni liberi FERMI di Trieste (foto da Ufficio stampa Cnr)

Questo apparecchio è «una sorgente di luce unica a livello mondiale, capace di emettere impulsi estremamente brevi ed intensi nell’intervallo dei raggi X». Si tratta di caratteristiche «che la rendono la sonda più luminosa e potente per studiare i processi dinamici», afferma il primo autore della ricerca, Stefano Pelli Cresi di Elettra Sincrotrone Trieste. Questo laser, aggiunge Daniela Catone di Cnr-Ism, «ha permesso di studiare per la prima volta la dinamica del trasferimento di energia tra nanoparticelle e semiconduttori grazie ad una tecnica estremamente sensibile alla chimica e con una risoluzione temporale elevatissima».

Applicazioni della scoperta

I risultati dello studio aiuteranno a sviluppare materiali con una migliore fotoreattività e utilizzabili per tecnologie in campo ambientale. Dalla scissione dell’acqua per produrre idrogeno, alla riduzione dell’anidride carbonica in atmosfera e la purificazione dell’acqua o delle superfici. 

Questo studio, iniziato tra i laboratori di Modena, Roma e Trieste, si è concluso adattandosi alle restrizioni imposte dall’emergenza pandemica. Come spiega la coordinatrice Paola Luches, «l’accesso al laser FERMI di Trieste è estremamente contingentato, data la sua unicità». Inoltre, l’emergenza sanitaria ha influito direttamente sullo svolgimento degli esperimenti. Infatti, ricorda Luches, «la seconda misura era prevista per i primi giorni di marzo 2020, ma siamo stati costretti ad annullare il viaggio a poche ore dall’esperimento». Questo, è stato realizzato «per la prima volta in modalità smart, coordinando le misure da remoto, in tempo reale e 24 ore su 24. La buona riuscita – conclude – è stata possibile grazie alla determinazione e alle competenze dello staff di FERMI che hanno consentito di implementare a tempo di record un sistema di contatto remoto già durante il primo lockdown italiano».