Um novo método tornará possível criar dispositivos compactos que determinarão com precisão a composição molecular de um líquido ou gás, e ajudar a identificar compostos químicos potencialmente perigosos. Os resultados do trabalho realizado por pesquisadores da ITMO University e da Ben-Gurion University of the Negev, Israel foi publicado em Nanomateriais .

Hoje, cada vez mais atenção é dada à qualidade do ar e da água e ao controle de quaisquer compostos prejudiciais que eles possam conter. Mesmo uma pequena concentração de tais compostos pode ter um efeito negativo tremendo na saúde de humanos e animais. Precisamos de equipamentos complexos para monitorar a composição química das substâncias e identificar compostos específicos. O mais difundido dos métodos aplicados anteriormente é a espectroscopia vibracional.

"Com espectroscopia vibracional, você pode aprender facilmente a composição molecular de qualquer substância até então desconhecida para você, "explica Daler Dadadzhanov, Estudante de doutorado em um programa conjunto da ITMO University e da Ben-Gurion University of the Negev, Israel, pesquisador associado do Centro Internacional de Pesquisa e Educação em Física de Nanoestruturas. "Funciona assim:temos uma substância desconhecida que consiste em vários átomos interagindo entre si; um grupo amino, por exemplo, tem átomos de hidrogênio e nitrogênio. Quando submetido à radiação de luz, esses átomos começam a oscilar, absorvendo uma certa quantidade de energia enquanto estão fazendo isso. Como resultado, a energia de saída será menor. A frequência com que a energia foi absorvida, pode ser usado para determinar os grupos atômicos funcionais em que uma molécula consiste. Então, um 'ID molecular' poderia ser criado e então usado por um detector para determinar o tipo de substância com a qual foi apresentado. "

Os espectrômetros usados ​​hoje geralmente operam na faixa espectral do infravermelho médio, com o comprimento de onda de 2,5-25 micrômetros. Nesta faixa, as diferenças entre a energia da luz incidente e a energia que já passou pela substância podem ser facilmente definidas e analisadas. Os analisadores trabalhando nesta faixa, Contudo, são relativamente grandes e pesados, bem como bastante caro. Além disso, algumas bandas no espectro infravermelho médio são tão intensas, como aqueles conectados à vibração dos átomos de hidrogênio de um grupo OH, que levam à absorção total de energia ao detectar pequenas quantidades de substâncias. Essas bandas são a causa de dificuldades na interpretação de outras bandas vibracionais características no espectro de absorção.

O sistema pode ser feito várias vezes menor, se pudesse operar não no infravermelho médio, mas no espectro do infravermelho próximo consistente com a radiação de ondas curtas. O espectro infravermelho próximo é estudado muito mais do que o infravermelho médio - principalmente porque é usado por sistemas de telecomunicações modernos.

"A principal vantagem do espectro infravermelho próximo é que hoje em dia existem muitas unidades de radiação contínua de alta qualidade e eficiência energética, além de detectores confiáveis, "comenta Dadadzhanov." Eles são mais baratos do que os usados ​​na faixa do infravermelho médio e mais compactos. Assim, o equipamento de espectro infravermelho médio pode ter 1,5 por 1,5 metros de tamanho, enquanto o infravermelho próximo caberia na palma da mão humana. "

Contudo, há um problema - diminuir o comprimento de onda significa que a diferença entre a energia de entrada e de saída torna-se pequena demais para ser detectada facilmente. Como resultado, uma quantidade maior de substância é necessária para uma análise de boa qualidade, o que coloca em risco a compactação do dispositivo. Além disso, muitos sensores visam detectar substâncias desconhecidas com concentrações marginalmente pequenas, como moléculas tóxicas. A tarefa se torna mais difícil no espectro do infravermelho próximo.

Antes de criar um analisador baseado em espectroscopia vibracional no infravermelho próximo, os cientistas precisam encontrar uma maneira de amplificar o sinal recebido por causa da diferença entre a energia que entra e sai. Foi o que os pesquisadores da Universidade Ben-Gurion do Negev, Israel liderado pela Dra. Alina Karabchevsky e seus colegas da Universidade ITMO estavam trabalhando.

"Em nosso jornal, propomos o seguinte projeto:sobre uma base de um dielétrico transparente, gostar, por exemplo, vidro de borossilicato, uma matriz periódica de nanoparalelepípedos de ouro é formada. Essas estruturas podem ser adquiridas com litografia por feixe de elétrons, "continua Dadadzhanov." Depois disso, cobrimos o substrato com uma camada fina da substância estudada e registramos o espectro de transmitância da amostra, que é condicionado pela excitação combinada de ressonância plasmônica em nanopartículas de ouro e vibrações moleculares (sobretons) da substância estudada. Nanoparalelepípedos de ouro na forma proposta têm sua ressonância plasmônica exatamente na mesma área do espectro onde as moléculas estudadas têm suas bandas de absorção. Além disso, nas proximidades de uma superfície metálica, o campo eletromagnético é fortemente amplificado. Portanto, isso aumenta a sensibilidade do sensor proposto. "

O artigo publicado é teórico - com pesquisas conduzidas em modelos numéricos. O próximo estágio, Portanto, será conduzir experimentos reais na criação de tais sistemas em condições de laboratório.