Un nuevo método permitirá crear dispositivos compactos que determinarán con precisión la composición molecular de un líquido o gas, y ayudar a identificar compuestos químicos potencialmente peligrosos. Los resultados del trabajo realizado por investigadores de la Universidad ITMO y la Universidad Ben-Gurion del Negev, Israel se han publicado en Nanomateriales .

Hoy dia, Cada vez se presta más atención a la calidad del aire y el agua y al control de los compuestos nocivos que puedan contener. Incluso una pequeña concentración de tales compuestos puede tener un tremendo efecto negativo en la salud de los seres humanos y los animales. Necesitamos equipos complejos para monitorear la composición química de sustancias e identificar compuestos específicos. El más extendido de los métodos aplicados anteriormente es la espectroscopia vibratoria.

"Con espectroscopía vibracional, puede aprender fácilmente la composición molecular de cualquier sustancia previamente desconocida para usted, "explica Daler Dadadzhanov, Estudiante de doctorado en un programa conjunto de la Universidad ITMO y la Universidad Ben-Gurion del Negev, Israel, investigador asociado en el Centro Internacional de Investigación y Educación en Física de Nanoestructuras. "Funciona así:tenemos una sustancia desconocida que consta de varios átomos que interactúan entre sí; un grupo amino, por ejemplo, tiene átomos de hidrógeno y nitrógeno. Cuando se somete a radiación de luz, estos átomos comienzan a oscilar, absorbiendo una cierta cantidad de energía mientras lo hacen. Como resultado, la energía saliente será menor. La frecuencia a la que se absorbió la energía, se puede utilizar para determinar los grupos atómicos funcionales que componen una molécula. Luego, se podría crear una 'identificación molecular' que luego puede ser utilizada por un detector, ya que determina el tipo de sustancia que se le presentó ".

Los espectrómetros que se utilizan hoy en día suelen operar en el rango espectral del infrarrojo medio, con la longitud de onda de 2,5-25 micrómetros. En este rango, las diferencias entre la energía de la luz incidente y la energía que ya pasó a través de la sustancia se pueden definir y analizar fácilmente. Los analizadores que trabajan en este rango, sin embargo, son relativamente grandes y engorrosos, así como bastante caro. Es más, algunas bandas en el espectro del infrarrojo medio son tan intensas, como los conectados a la vibración de los átomos de hidrógeno de un grupo OH, que conducen a una absorción total de energía al detectar pequeñas cantidades de sustancias. Estas bandas son la causa de dificultades a la hora de interpretar otras bandas vibratorias características en el espectro de absorción.

El sistema podría hacerse varias veces más pequeño, si pudiera operar no en el infrarrojo medio sino en el espectro del infrarrojo cercano consistente con la radiación de onda corta. El espectro del infrarrojo cercano se estudia mucho más que el del infrarrojo medio, principalmente porque lo utilizan los sistemas de telecomunicaciones modernos.

"La principal ventaja del espectro del infrarrojo cercano es que hoy en día existen muchas unidades de radiación continua de alta calidad y eficiencia energética y detectores confiables, ", comenta Dadadzhanov." Son más baratos que los que se utilizan en el rango del infrarrojo medio y más compactos. Por lo tanto, el equipo del espectro infrarrojo medio puede tener un tamaño de 1,5 por 1,5 metros, mientras que el infrarrojo cercano podría caber en la palma de una mano humana ".

Sin embargo, Hay un problema:acortar la longitud de onda significa que la diferencia entre la energía entrante y saliente se vuelve demasiado pequeña para ser detectada fácilmente. Como resultado, se necesita una mayor cantidad de sustancia para un análisis de buena calidad, lo que pone en riesgo la compactación del dispositivo. Es más, muchos sensores están destinados a detectar sustancias desconocidas con concentraciones marginalmente pequeñas, como moléculas tóxicas. La tarea se vuelve más difícil en el espectro del infrarrojo cercano.

Antes de crear un analizador basado en espectroscopía vibracional de infrarrojo cercano, Los científicos necesitan encontrar una manera de amplificar la señal recibida debido a la diferencia entre la energía entrante y saliente. Esto fue lo que los investigadores de la Universidad Ben-Gurion del Negev, Israel, encabezado por la Dra. Alina Karabchevsky y sus colegas de la Universidad ITMO, estaban trabajando.

"En nuestro periódico, proponemos el siguiente diseño:sobre una base de un dieléctrico transparente, igual que, por ejemplo, vidrio de borosilicato, se forma una serie periódica de nanoparallepípedos de oro. Tales estructuras se pueden adquirir con litografía por haz de electrones, "continúa Dadadzhanov". Después de eso, cubrimos el sustrato con una fina capa de la sustancia estudiada y registramos el espectro de transmitancia de la muestra, el cual está condicionado por la excitación combinada de resonancia plasmónica en nanopartículas de oro y vibraciones moleculares (armónicos) de la sustancia estudiada. Los nanoparallelepípedos de oro en la forma propuesta tienen su resonancia plasmónica precisamente en la misma área del espectro donde las moléculas estudiadas tienen sus bandas de absorción. Es más, en las proximidades de una superficie metálica, el campo electromagnético se amplifica fuertemente. Por lo tanto, esto aumenta la sensibilidad del sensor propuesto ".

El artículo publicado es teórico, con investigaciones realizadas sobre modelos numéricos. La siguiente etapa, por lo tanto, será realizar experimentos reales para crear tales sistemas en condiciones de laboratorio.