Cientistas do Centro de Fotônica e Materiais 2-D do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT), a Universidade de Oviedo, Donostia International Physics Center, e CIC nanoGUNE propuseram uma nova maneira de estudar as propriedades de moléculas orgânicas individuais e nanocamadas de moléculas. A abordagem, descrito em Nanofotônica , depende de estruturas de filme de grafeno-metal em forma de V.

A análise não destrutiva de moléculas via espectroscopia de infravermelho é vital em muitas situações na química orgânica e inorgânica:para controlar as concentrações de gás, detectar a degradação do polímero, medir o teor de álcool no sangue, etc. No entanto, este método simples não se aplica a um pequeno número de moléculas em um nanovolume. Em seu estudo recente, pesquisadores da Rússia e da Espanha propõem uma maneira de resolver isso.

Uma noção fundamental subjacente à nova técnica é a de um plasmon. Definido amplamente, refere-se a uma oscilação de elétrons acoplada a uma onda eletromagnética. Propagando juntos, os dois podem ser vistos como uma quase-partícula.

O estudo considerou plasmons em uma estrutura em forma de cunha com várias dezenas de nanômetros de tamanho. Um lado da cunha é uma camada de átomos de carbono com um átomo de espessura, conhecido como grafeno. Ele acomoda plasmons que se propagam ao longo da folha, com cargas oscilantes na forma de elétrons de Dirac ou lacunas. O outro lado da estrutura em forma de V é um ouro ou outro filme de metal eletricamente condutor que corre quase paralelo à folha de grafeno. O espaço intermediário é preenchido com uma camada afilada de material dielétrico - por exemplo, nitreto de boro - que tem 2 nanômetros de espessura na sua parte mais estreita (fig. 1).

Essa configuração permite a localização de plasmon, ou focando. Isso se refere a um processo que converte plasmons regulares em outros de comprimento de onda mais curto, chamado acústico. À medida que um plasmon se propaga ao longo do grafeno, seu campo é forçado a espaços progressivamente menores na cunha afilada. Como resultado, o comprimento de onda fica muitas vezes menor e a amplitude do campo na região entre o metal e o grafeno é amplificada. Dessa maneira, um plasmon regular gradualmente se transforma em um acústico.

"Era sabido anteriormente que os polaritons e os modos de onda sofrem tal compressão em guias de onda afilados. Começamos a examinar esse processo especificamente para o grafeno, mas então passou a considerar as possíveis aplicações do sistema grafeno-metal em termos de produção de espectros moleculares, "disse o co-autor do artigo Kirill Voronin do Laboratório de Nanoóticos e Plasmônicos do MIPT.

A equipe testou sua ideia em uma molécula conhecida como CBP, que é usado em produtos farmacêuticos e diodos emissores de luz orgânicos. É caracterizada por um pico de absorção proeminente em um comprimento de onda de 6,9 ​​micrômetros. O estudo analisou a resposta de uma camada de moléculas, que foi colocado na parte fina da cunha, entre o metal e o grafeno. A camada molecular era tão fina quanto 2 nanômetros, ou três ordens de magnitude menor que o comprimento de onda dos plasmons excitadores do laser. Medir essa baixa absorção das moléculas seria impossível usando espectroscopia convencional.

Na configuração proposta pelos físicos, Contudo, o campo está localizado em um espaço muito mais restrito, permitindo que a equipe se concentre na amostra e também registre uma resposta de várias moléculas ou mesmo de uma única molécula grande, como o DNA.

Existem diferentes maneiras de excitar plasmons no grafeno. A técnica mais eficiente se baseia em um microscópio de campo próximo de varredura do tipo espalhamento. Sua agulha é posicionada próxima ao grafeno e irradiada com um feixe de luz focalizado. Como a ponta da agulha é muito pequena, ele pode excitar ondas com um vetor de onda muito grande - e um comprimento de onda pequeno. Plasmons excitados para longe da extremidade cônica da cunha viajam ao longo do grafeno em direção às moléculas que serão analisadas. Depois de interagir com as moléculas, os plasmons são refletidos na extremidade cônica da cunha e, em seguida, espalhados pela mesma agulha que inicialmente os excitou, que, portanto, funciona como um detector.

"Calculamos o coeficiente de reflexão, isso é, a razão entre a intensidade refletida do plasmon e a intensidade da radiação do laser original. O coeficiente de reflexão depende claramente da frequência, e a frequência máxima coincide com o pico de absorção das moléculas. Torna-se aparente que a absorção é muito fraca - cerca de vários por cento - no caso de plasmons de grafeno regulares. Quando se trata de plasmons acústicos, o coeficiente de reflexão é dezenas de por cento menor. Isso significa que a radiação é fortemente absorvida na pequena camada de moléculas, "acrescenta o co-autor do artigo e professor visitante do MIPT, Alexey Nikitin, um pesquisador do Donostia International Physics Center, Espanha.

Após certas melhorias nos processos tecnológicos envolvidos, o esquema proposto pelos pesquisadores russos e espanhóis pode ser usado como base para a criação de dispositivos reais. De acordo com a equipe, eles seriam úteis principalmente para investigar as propriedades de compostos orgânicos pouco estudados e para detectar os conhecidos.