Направив лазерный луч на модифицированную иглу атомно-силового микроскопа (АСМ), учёные из Германии и Нидерландов смогли наблюдать за протеканием каталитической реакции в наноразмерном масштабе и реальном времени.

Адаптированный метод TERS, позволяющий наблюдать восстановление п-нитротиофенола на серебряном нанокатализаторе (иллюстрация Nature).

Учёные оперировали методом, который объединил АСМ и спектроскопию комбинационного рассеяния, используя покрытую серебром иглу-зонд как для усиления рамановского сигнала, так и для выполнения возложенной на неё роли катализатора химического превращения. С его помощью исследователи смогли проследить за каталитической конверсией исходных веществ в продукты с пространственным разрешением в несколько нанометров.

Описанный инструментарий стал адаптацией процесса TERS (спектроскопия локального усиления рамановского рассеяния), разработанного ранее авторами исследования — Фолкером Декертом(Volker Deckert), сотрудником НИИ фотоники при Университете Йены (Германия), и Бертом Векхойсеном (Bert Weckhuysen) из Утрехтского университета (Нидерланды).

Традиционная рамановская спектроскопия — это основанный на использовании света метод, позволяющий определять наличие в образце функциональных органических групп, поскольку многие из них способны поглощать, а затем переизлучать свет от лазерного источника. Метод TERS полагается также на модифицированную иглу-зонд атомно-силового микроскопа, покрытую наночастицами серебра. Электроны на поверхности сферических серебряных наноразмерных частиц получают возможность осциллировать в гармонии с лазерным лучом, резко усиливая рамановский сигнал. Не менее важным является и то, что наблюдаемый эффект чрезвычайно локализован: усиление рамановского сигнала от органических молекул наблюдается в радиусе нескольких нанометров от иглы.

Но самое интересное началось тогда, когда те же учёные продемонстрировали, что, помимо выполнения роли усилителя локального рамановского сигнала, серебряные наночастицы, находящиеся на острие иглы АСМ, способны функционировать в качестве катализатора химических превращений, позволяя с максимальным приближением рассмотреть то, как реагирующие вещества становятся продуктами на поверхности самого катализатора. В качестве примера в своей последней работе, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, они использовали реакцию фотокаталитического восстановления п-нитротиофенола, протекающую с образованием новой двойной N=N-связи, что ясно видно в сигнале рамановской спектроскопии TERS.

Таким образом, предложен практический метод, позволяющий изучать механизм работы металлических катализаторов, а также факторы (включая природу активных центров), влияющие на избирательность и величину каталитической активности металла.