Desde el siglo XIX, Los métodos de microscopía y espectroscopía han iluminado muchos aspectos de la química y la física, desde definir espectros atómicos hasta aportar claridad al efecto fotoeléctrico de Einstein.

Ahora, a principios del siglo XXI, Las imágenes químicas generadas a través de mediciones espacio-temporales de alta resolución combinadas con espectroscopía nos acercan a un sueño científico:visualizar escalas atómicas o de molécula única in situ y en tiempo real. Investigación molecular en energía fotovoltaica orgánica, polímeros, autoensamblaje macro / supra-molecular, biomembranas, proteínas, y, en general, la materia organizada para formar estructuras moleculares a nanoescala, todos podrían beneficiarse de este floreciente ultrarrápido, Capacidad de nano imágenes de femtosegundos.

Para Markus Raschke, profesor de la Universidad de Colorado en Boulder y actual becario de investigación EMSL Wiley, la evolución hacia el logro de esta innovación científica está impulsada por su interés a largo plazo en la imagen óptica y la espectroscopía de resolución espacial ultra alta. Este interés lo llevó inicialmente a EMSL como usuario y desde entonces lo ha llevado a una colaboración de casi cuatro años que tiene a EMSL al borde de la entrega de capacidades de imágenes con una sensibilidad cercana a una sola molécula.

El punto de inflexión

Raschke y sus colegas utilizaron inicialmente las capacidades de microscopía de EMSL para demostrar el nanofoco plasmónico utilizando un concepto de antena óptica. El método empleó una punta de oro cónica y excitación de pulso corto para facilitar la obtención de imágenes de campo cercano sin fondo a través de microscopía óptica de campo cercano de escaneo de tipo dispersión, o s-SNOM. La combinación también permite el nanofoco de pulsos de femtosegundos y control óptico a nanoescala. Abrió la puerta a la espectroscopia ultrarrápida a nanoescala que podría representar la materia en medio de sus escalas de tiempo real y de longitud simultáneamente. así como para controlar una única excitación cuántica con esa fuente de luz única "en la punta de una aguja, "según Raschke.

"Queríamos diseñar una fuente de luz a nanoescala, ", Explicó Raschke." Buscamos diferentes vías para llegar a este objetivo y lograrlo para diferentes longitudes de onda y escalas de tiempo. Fabricando estos consejos, que actúan como guías de ondas cónicas especiales, proporcionar una fuente de luz altamente confinada, donde la energía del campo óptico se comprime en una muy, volumen muy pequeño en su ápice ".

Si bien el aspecto de la espectroscopia ultrarrápida no era el objetivo inicial de Raschke, El éxito logrado en ese esfuerzo ofreció a EMSL una oportunidad increíble para mejorar la comprensión de la química en superficies e interfaces, donde el medio ambiente, catalítico, y se producen interacciones biológicas y química, a través de su proceso de propuesta de socio científico.

Construyendo una alianza

Socios interesados, como Raschke y sus colegas, Envíe propuestas a través del Portal del usuario de EMSL para formar equipo con el personal de EMSL y mejorar las capacidades existentes o desarrollar otras nuevas. En este caso, La financiación de la Ley de Recuperación y Reinversión Estadounidense de EMSL facilitó el desarrollo de infrarrojos, o IR, microscopio de campo cercano de barrido de tipo dispersión, que inicialmente estaba alojado en el laboratorio de Raschke mientras él y su equipo construían, probado, y optimizó la nueva capacidad. A principios de este año, el microscopio IR s-SNOM personalizado se trasladó a su casa en EMSL, donde Raschke, junto con el científico de EMSL Ian Craig, todavía estamos trabajando para perfeccionar su desarrollo y aplicaciones.

"En EMSL, durante mucho tiempo nos hemos centrado en la tecnología que se ocupa de la resolución espacio-temporal mejorada que nos permite observar la química en condiciones del mundo real, "dijo David Koppenaal, Director de tecnología de EMSL. "Esta es una capacidad única que proporcionará información molecular de alta resolución a nanoescala. Y, complementa varias capacidades de microscopía que ya tenemos aquí ".

Según Raschke, El mecanismo de asociación científica de EMSL también es un excelente ejemplo de ciencia interdisciplinaria y colaborativa, el tipo de inversión que motiva a los científicos y promueve nuevas fronteras científicas. Viniendo del lado académico, él sabe lo valiosa que puede ser esta interacción para lograr una innovación tangible.

"No teníamos los recursos ni la infraestructura para crear un instrumento con estas maravillosas capacidades a nivel académico, "Raschke señaló." La asociación con EMSL reunió lo mejor de ambos mundos:la dinámica y el entusiasmo en una universidad y los recursos y la capacidad en EMSL. Todos queremos la mejor ciencia ".

Los innovadores

Después de demostrar el potencial de s-SNOM para extender la espectroscopia de infrarrojos a la escala nanométrica en función de su concepto de antena óptica, Raschke y sus colegas se asociaron con EMSL para asumir el desafío de mejorar su sensibilidad espectroscópica.

"Es bien sabido que se puede ver una sola molécula utilizando un microscopio de efecto túnel o de fuerza atómica, pero no obtienes detalles espectroscópicos, y esas técnicas, aunque exquisitamente sensible, son demasiado lentos para obtener la dinámica interna, "Dijo Raschke.

"Los láseres ofrecen una alta resolución espectral, y los láseres pulsados ​​le informan sobre la dinámica de la materia, "continuó." Pero, la resolución espacial es limitada para observar los detalles más finos de la composición molecular. Lo que hicimos fue combinar realmente la sensibilidad y la resolución espacial de la microscopía de sonda de barrido con la espectroscopía láser ultrarrápida para obtener lo mejor de ambos mundos ".

Al combinar la mejora de la punta y el sustrato obtenida de su trabajo inicial con antenas ópticas y espectroscopía Raman molecular y una relación señal-ruido mejorada de la excitación de la bomba IR de alta irradiancia espectral, Raschke y sus colegas crearon una imagen de una monocapa autoensamblada, o SAM, hecho de ácido 16-mercaptohexadecanoico, un compuesto utilizado en el autoensamblaje para producir SAM hidrofílicos, sobre una superficie dorada. Pudieron obtener una resolución espacial de 25 nm utilizando su técnica IR s-SNOM y pudieron determinar espectroscópicamente la identidad química de las moléculas de la superficie. Más significativamente, rompieron un récord en sensibilidad espectral y contraste, obteniendo señal de solo ∼100 vibraciones moleculares, casi nueve órdenes de magnitud más sensibles que la espectroscopia IR convencional.

"Esto allana el camino hacia la espectroscopia IR de una sola molécula, "Dijo Raschke." Hemos demostrado que puede obtener una señal. Estamos viendo 100 moléculas cuando antes tenía colegas que pensaban que ni siquiera se podía obtener una señal de 1 millón de moléculas ".

Como científico principal y colaborador a lo largo de este esfuerzo, Raschke continúa publicando artículos mientras perfecciona el IR s-SNOM, buscando medios para mejorar su capacidad. También da la bienvenida a su evolución como otro instrumento único que EMSL ofrece para un amplio uso a la comunidad científica. Su papel de liderazgo es uno que él espera plenamente, y está emocionado, para continuar en los años venideros.

"Si puede verlo en una sola monocapa molecular, puedes verlo en cualquier cosa, De Verdad, ", Dijo Raschke." Estamos viendo cómo la luz interactúa con la materia en el reloj de la naturaleza. Observamos el movimiento de electrones y átomos en tiempo real. Hemos visto grupos de átomos que hacen esto. Pero, necesita muchos para obtener una señal. Ahora, estamos llegando a donde podemos ver el movimiento atómico de los individuos.

"Cien moléculas es un número importante. Aquí es donde los átomos se convierten en una familia. Estamos llegando al conjunto homogéneo, viendo el latido del corazón de la materia, "añadió.