Исследователи из Университета Умео (Швеция) доказали, что изменение физической структуры золота на наномасштабном уровне способно кардинально изменять его взаимодействие со светом, а также электронные и оптические свойства. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

В Умео эксперементировали с произведенным в лаборатории нанопористым золотом — искусственным композитным материалом (метаматериалом), свойства которого определяются не химическим составом, а спроектированной на микро- или наноуровне структурой. Это губчатый материал с порами, размеры которых не превышают 100 нм, увеличенной площадью поверхности и улучшенными каталитическими, оптическими, а также сенсорными свойствами по сравнению с плотным золотом. Последние характеризуют способность реагировать на внешние воздействия.

Ученые обнаружили, что тонкая пленка нанопористого золота взаимодействует со светом не так, как твердое золото. Подвергая «золотую губку» воздействию сверхкоротких лазерных импульсов, они выяснили, что пористая структура позволяет материалу поглощать больше световой энергии и в более широком спектре.

В результате значительно повышается энергия электронов. Но это не физический нагрев, а энергетическое возбуждение электронов, влияющее на скорость реакций и свойства материала. Установлено, что электронная температура в нанопористой пленке достигает примерно 3200 К (~2900 °C) по сравнению с всего лишь 800 К (~500 °C) в неструктурированной золотой пленке, используемой в качестве эталона при тех же условиях. Кроме того, «горячим» электронам требуется больше времени для охлаждения и возвращения в исходное состояние при комнатной температуре. Высокоэнергетические «горячие» электроны, возбужденные лазером или светом, обладают энергией значительно выше теплового равновесия и участвуют в сверхбыстрых процессах (к примеру, фотокатализа и сенсорики). Продление времени их жизни должно повысить эффективность таких устройств, как солнечные батареи или сенсоры.

Эксперименты показали, что нанопористая структура может быть использована в качестве нового параметра проектирования для создания материалов, применяемых в самых современных технологиях. По мнению авторов исследования, систематическое изменение соотношения материала и воздуха в «губке», позволяет регулировать электронное поведение не только золота, но и других металлов. Полученные результаты предоставляют возможность создания, в том числе, реагирующих на внешние стимулы «умных» материалов, ускоряющих химические реакции катализаторов, квантовых батарей и солнечных элементов с повышенными КПД.