p Metamateriais plasmônicos são substâncias feitas pelo homem cuja estrutura pode ser manipulada para influenciar a maneira como interagem com a luz. Como tal, metamateriais oferecem uma plataforma atraente para aplicações de detecção, incluindo espectroscopia de absorção infravermelha (IR) - uma técnica usada para descobrir detalhes da composição química e da estrutura das substâncias. p Agora, Atsushi Ishikawa da Universidade de Okayama e colegas fabricaram um novo absorvedor de metamaterial plasmônico composto de ouro e flúor de magnésio, capaz de detecção de infravermelho de alta sensibilidade. O metamaterial pode ser inestimável no desenvolvimento de tecnologias de inspeção IR de próxima geração.

p Os pesquisadores projetaram cuidadosamente seu absorvedor para maximizar o sinal de infravermelho e minimizar o ruído de fundo. O metamaterial consiste em fitas de ouro de 50 nm em um filme de ouro espesso, separados por uma camada de flúor de magnésio (ver imagem).

p O comprimento de onda do IR é mais longo e tem menos energia do que a luz visível, o que significa que não é forte o suficiente para excitar elétrons, ao contrário de outros tipos de espectroscopia. A espectroscopia de absorção de infravermelho, portanto, explora a capacidade do infravermelho de induzir vibrações em átomos ligados. Os compostos orgânicos absorvem a radiação IV correspondente aos diferentes tipos de vibrações moleculares presentes; o espectro de absorção resultante informa aos cientistas sobre a estrutura química única dos compostos.

p Para testar as capacidades do novo metamaterial, a equipe decidiu identificar os modos vibracionais de alongamento das ligações carbono-hidrogênio no ácido 16-mercaptohexadecanóico (16-MHDA). Eles mergulharam o absorvedor em solução de etanol de 16 MHDA para estimular o desenvolvimento de uma monocamada de automontagem das moléculas de ácido. Sob radiação IR em diferentes ângulos de incidência, a saída espectral de monocamada de metamaterial exibiu picos distintos correspondentes ao alongamento de carbono-hidrogênio, com os picos mais pronunciados sob IR em um ângulo de 40 °.

p A nova abordagem de metamaterial forneceu medições altamente detalhadas pertencentes a pequenos detalhes moleculares (no nível de atamol) na monocamada de 16 MHDA. Os pesquisadores esperam que sua nova técnica abra as portas para o desenvolvimento de tecnologias de inspeção infravermelha ultrassensíveis para ciência de materiais e aplicações de segurança.

p Metamateriais

p A capacidade de manipular a absorção de luz de materiais pode revolucionar muitas tecnologias, como células fotovoltaicas e dispositivos térmicos. A pesquisa sobre o design e desenvolvimento de metamateriais plasmônicos ainda é relativamente nova. Esses materiais são sintéticos, e os cientistas podem projetar suas estruturas de superfície para explorar o comportamento dos plasmons de superfície - quasipartículas que existem em superfícies de metal e interagem com a luz - para obter propriedades ópticas ajustáveis.

p A espectroscopia de absorção no infravermelho poderia ser dramaticamente aprimorada com a introdução de absorvedores baseados em metamateriais ajustáveis ​​projetados para permitir a detecção de alta resolução de pequenos detalhes moleculares.

p Metodologia

p O absorvedor de metamaterial construído pela equipe compreendia nanofitas de ouro (medindo 50 nm de espessura) em uma base de filme de ouro, com uma fina camada de flúor de magnésio separando as duas camadas de ouro. À medida que as monocamadas moleculares se auto-montam em superfícies de metal nobre, eles levantaram a hipótese de que o metamaterial à base de ouro provaria ser um forte candidato para permitir a medição de alta resolução de modos vibracionais induzidos por IV em monocamadas de automontagem.

p Sua abordagem envolveu cobrir seu absorvedor de metamaterial com uma monocamada de automontagem ultrafina de moléculas de ácido 16-MDHA. Eles também cobriram uma amostra de filme de ouro puro com a mesma monocamada para comparação.

p Os pesquisadores submeteram as duas monocamadas à radiação IR em diferentes ângulos de incidência. A monocamada em ouro puro exibiu uma baixa relação sinal-ruído, e era muito difícil ver as quedas de absorção na saída espectral correspondentes ao alongamento carbono-hidrogênio induzido por IV na monocamada.

p Em contraste, as quedas de absorção foram muito bem pronunciadas na leitura espectral para a monocamada de metamaterial, porque os modos vibracionais das moléculas de 16-MHDA ressoaram com os modos plasmônicos do metamaterial. Este chamado 'acoplamento ressonante' produziu picos distintos correspondentes ao alongamento carbono-hidrogênio induzido por IV na estrutura molecular de 16-MHDA. O acoplamento ressonante era dependente do ângulo da luz incidente, com o mais claro, sinal mais forte em um ângulo de 40 °.

p Os pesquisadores acreditam que seu absorvedor pode abrir portas para novas tecnologias ultrassensíveis de detecção de infravermelho. Avançar, sua técnica poderia ser explorada de outras maneiras - otimizando a estrutura da superfície de outros metamateriais, eles poderiam aumentar ainda mais o acoplamento ressonante e permitir sensibilidades até o nível de zeptomole.