A szerkezeti szín hangolásának hatása a fotokatalitikus festékbontásra Morpho lepkeszárny alapú ZnO fotonikus nanoarchitektúrákon
Nanoszerkezetek Laboratórium, Felületkémiai és Katalízis Laboratórium
(HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont)
2023. május
A lepkéken előforduló fotonikus nanoarchitektúrák, amelyek szárnyaik élénk kék, gyakran irizáló színeit adják, kiválóan alkalmazhatók fotokatalitikusan aktív félvezető vékonyrétegek hordozóiként. Ezáltal olyan hibrid struktúrára tehetünk szert, amely a megnövekedett fajlagos felület és a fotogerjesztési folyamat javításán keresztül jelentősen fokozhatja a fotokatalitikus teljesítményt, azaz például a vízben oldott szennyező anyagok látható fény hatására történő elbontását. A Morpho lepkék szárnyain olyan, keresztmetszetében fenyőfára emlékeztető nanoszerkezet-típus található, amely változatos árnyalatok előállítására képes. Ezáltal olyan természetesen hangolt mintasorozatként használhatók, amelynek segítségével lehetőségünk nyílt a szerkezeti szín fotokatalitikus festékbontásra gyakorolt hatásának részletes vizsgálatára (Piszter Gábor, Nagy Gergely, Kertész Krisztián, Baji Zsófia, Kovács Krisztina, Bálint Zsolt, Horváth Zsolt Endre, Pap József Sándor, Biró László Péter: Dye degradation with biotemplated ZnO photonic nanoarchitectures based on Morpho butterfly wings. Materials, 2023.)
Az atomi rétegleválasztással felvitt, 10-15-20 nm vastagságú, nanokristályos ZnO vékonyrétegek mindegyike tökéletesen megőrizte a biológiai szerkezetek apró részleteit. Rodamin B és metilnarancs festékanyagokkal végzett fotodegradációs kísérletek azt mutatták, hogy míg a sík hordozóra leválasztott ZnO vékonyrétegek festékbontása között nem tapasztalható különbség, addig a lepkeszárny hordozók alkalmazásával a reakciósebesség mintegy tízszeres növekedését tapasztaltuk metilnarancs esetében, amely felülmúlta a rodamin B esetében mért változást is. Ez a jelentős hatékonyságbeli javulás akkor következett be, amikor a ZnO bevonatos lepkeszárny visszaverési spektrumának kék éle egybeesett az elbontandó festékanyag elnyelési sávjával. Így a jövőben olyan ZnO fotonikus nanoarchitektúrák készíthetők, amelyek szerkezeti színe a lebontandó molekulák abszorpciós sávjához hangolható a megfelelő hordozó és rétegvastagság megválasztásával, ezzel is fokozva a fotokatalitikus hatékonyságot.
Fotonikus hordozóként használt Morpho lepkefajok fotója: (a) M. rhetenor helena, (b) M. sulkowskyi, (c) M. menelaus és (d) M. portis. (e) Fotonikus nanoszerkezetük keresztmetszeti vázlata rajta a leválasztott ZnO vékonyréteggel. Az atomi rétegleválasztással előállított 20 nm vastagságú ZnO vékonyréteg röntgen diffraktogramja. (g) Metilnarancs és (h) rodamin B festékanyagok bomlási sebessége az alkalmazott sík- és lepkeszárny hordozók, valamint a különböző ZnO rétegvastagságok függvényében.
