Es ist bekannt, dass Lichtenergie in Nanopartikeln aus Metallen effizient konzentriert werden kann –und zwar auf kleinsten Skalen im Bereich von wenigen Nanometern (10-9 Meter). Ein Forschungsteam um den Potsdamer Physiker Felix Stete zeigte nun, dass die von Gold-Nanopartikeln absorbierte Energie noch stärker konzentriert werden kann, indem man kleinere Palladium-Nanopartikel an die Oberfläche der größeren Goldpartikel heftet. Palladium ist ein Metall ähnlich dem Platin, jedoch mit einer geringeren Dichte. Es kommt als Katalysator in der Nano-Technologie zum Einsatz. In dieser Funktion beeinflusst es die Reaktionsgeschwindigkeit, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Die Goldpartikel wirken wie Nanoantennen, die das Licht effizient sammeln und an das Palladium weitergeben.
Auf Längenskalen im Millimeter-Bereich würde man dabei eine räumliche Ausbreitung von Wärmeenergie erwarten, also zunächst eine Erhitzung des absorbierenden Goldes und eine darauffolgende, geringere Temperaturerhöhung des Palladiums. Erstaunlicherweise passiert auf Nanometer-Skalen aber etwas anderes: Nach der Licht-Anregung des Goldes sammeln die Palladium-Nanopartikel nahezu die gesamte Wärmeenergie und erhitzen sich um bis zu 180° C, während der lichtabsorbierende Goldkern zunächst viel kälter bleibt. Der Grund dafür ist, dass die gesamte Energie nach der Lichtabsorption zunächst in den Elektronen steckt und diese über beide Metalle verteilt sind. Im Nanopartikel koppeln die Elektronen viel stärker an das Palladium als an das Gold, was sich dadurch schneller erhitzt.
Die Studie zeigt also einen starken umgekehrten Temperaturunterschied zwischen den Metallen entgegengesetzt der Richtung der Energiezufuhr. „In Zukunft könnte man mit diesem Wissen Lichtenergie sparsam und lokal an der für die chemische Reaktion entscheidenden Stelle einsetzen, ohne zusätzliche Energie für die Erwärmung des Lösungsmittels aufwenden zu müssen“, fasst Matias Bargheer, Sprecher des Sonderforschungsbereichs 1636, zusammen.
Der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte SFB 1636 „Elementary Processes of Light-Driven Reactions at Nanoscale Metals“ ist eine gemeinsame Initiative der Institute für Chemie und für Physik und Astronomie der Universität Potsdam in enger Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung (IAP), dem Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) und Forschenden der Berliner Hochschule für Technik sowie der Humboldt-Universität zu Berlin. Die lichtgetriebene Chemie an der Oberfläche von Nano-Metallen ist ein aufstrebendes, interdisziplinäres Forschungsfeld. Es stützt sich auf experimentelle und theoretische Grundlagen aus der Nano-Optik, der Physik kondensierter Materie sowie der physikalischen, organischen und anorganischen Chemie. Die Vision besteht darin, chemische Reaktionen an Metallen im Nanomaßstab durch Licht anzutreiben und effizienter zu machen.
Link zur Publikation: Felix Stete, Shivani Kesarwani, Charlotte Ruhmlieb, Sven H. C. Askes, Florian Schulz, Matias Bargheer & Holger Lange: Inverted temperature gradients in gold–palladium antenna-reactor nanoparticles. Nat Commun 16, 8168 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-63327-z
Abbildung: Schema zur Veranschaulichung der Energieverteilung in hybriden Metall-Nanostrukturen: Elektronen in Gold und Palladium werden durch einen Laserpuls (blauer Wellenpfeil) angeregt. Die Energie wird an die Bewegung von Gold-Ionen in orange und Palladium-Ionen in blau weitergegeben (oben links). Die Energie wird als Wärme übertragen, dargestellt durch ein Glühen der jeweiligen Energieträger (oben rechts). Die Palladium-Nanopartikel heizen sich dabei stark auf (unten links), die Energie wird also auf kleine Raumbereiche konzentriert. Bild: Felix Stete