Algunas veces, parece que las moléculas luchan por comunicarse con los científicos. Cuando se trata de plasmones de unión, esencialmente ondas de luz atrapadas en pequeños espacios entre metales nobles, lo que las moléculas tienen que decir podría cambiar radicalmente el diseño de los detectores utilizados para la ciencia y la seguridad. La sensibilidad de detección de una sola molécula es factible mediante la dispersión Raman de moléculas coaccionadas en uniones plasmónicas. Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) encontraron que las secuencias de espectros Raman registrados en una unión plasmónica, formado por una punta de oro y una superficie plateada, exhiben fluctuaciones de intensidad dramáticas, acompañado por el cambio de espectros de líneas vibracionales familiares de una molécula a espectros de banda ancha del mismo origen. Las fluctuaciones confirman el modelo anterior del equipo que asigna espectros de banda mejorados en la dispersión Raman de nanouniones plasmónicas al cortocircuito del plasmón de unión a través de puentes moleculares intermedios.

"Se trata de hacerle las preguntas correctas y escuchar lo que tiene que decir, "dijo el Dr. Patrick El-Khoury, quien ha estado trabajando en este proyecto durante 2 años.

Una gran cantidad de dispositivos e instrumentos emergentes de última generación se basan en interacciones molécula-plasmón. Trabajos recientes demostraron sensibilidad de detección yoctomolar en la dispersión Raman de nanouniones plasmónicas, o la capacidad de detectar 1 molécula en 602, 214, 000, 000, 000, 000, 000, 000. Los sensores plasmónicos que operan en este límite de detección pueden determinar la identidad química de cantidades diminutas de peligros radioactivos y ambientales. El desarrollo de nanoscopios químicos de molécula única podría responder preguntas fundamentales sobre los procesos físicos y químicos que tienen lugar en escalas de longitud nanométrica. Los fundamentos obtenidos de este estudio podrían afectar el diseño de sensores plasmónicos ultrasensibles y nanoscopios químicos utilizados para comprender la química fundamental detrás del almacenamiento y la producción de energía. así como los planos de dispositivos electrónicos extremadamente pequeños.

"Antes de que puedas diseñar los dispositivos que necesitas, necesita saber cómo se comportan las moléculas en escalas de longitud comparables a sus dimensiones características. Nuestra investigación es fundamental, proporcionando conocimientos novedosos sobre cómo las moléculas interactúan con los plasmones de unión, "dijo el Dr. Wayne Hess, físico químico de la PNNL.

El equipo comenzó con una fina hoja de vidrio. Crecieron una fina capa de plata encima. Agregaron una sola capa de 4, 4′-dimercaptostilbeno (DMS), una molécula que se une con uno de sus dos restos tiol a la superficie de la plata. Colocaron la muestra en un microscopio óptico invertido, encima del cual se monta un microscopio de fuerza atómica (AFM). La sonda AFM de oro está acoplada y configurada para estar en contacto con la superficie de la muestra. Un rayo láser verde se enfoca muy de cerca a través del objetivo del microscopio, viaja a través del vidrio y la fina película de metal, y excita la unión formada entre la punta de AFM y la muestra. Luego, el equipo registró secuencias de espectros Raman de moléculas DMS en la unión. Un análisis de correlación bidimensional de las secuencias espectrales registradas reveló que los estados vibracionales observables de DMS se pueden dividir en dos subconjuntos, en virtud de la simetría (C2h) del reportero que el equipo seleccionó específicamente para este estudio. El primer conjunto comprende las vibraciones Raman admitidas totalmente simétricas (ag) que no están correlacionadas entre sí ni con los plasmones portadores de corriente. El segundo conjunto consta de modos bu débilmente permitidos, que están correlacionados entre sí y con los plasmones. Estas observaciones demuestran claramente que los plasmones de efecto túnel modulan los términos de acoplamiento vibrónico de los que se derivan las intensidades de las vibraciones bu. En efecto, El-Khoury y Hess identificaron modos de vibración de puerta de enlace para mediar el transporte de carga a través de un espacio plasmónico a través de puentes moleculares conductores.

"Este es un cambio de paradigma en la espectroscopia molecular, ya que ya no buscamos propiedades moleculares. Bastante, usamos esas propiedades; en este estudio, la simetría de los modos vibracionales observables:para informarnos sobre los ricos entornos en los que residen las moléculas, "dijo El-Khoury.

Utilizando el conocimiento fundamental obtenido de este estudio, El-Khoury y Hess están diseñando nuevos sensores plasmónicos y trabajando para desarrollar un nanoscopio químico ultrasensible. Más específicamente, Están desarrollando instrumentación novedosa que aprovecha las propiedades únicas de los plasmones de transferencia de carga.