Cuando un rayo de luz débil de color verde ilumina la molécula sola, la molécula es visible pero carece de detalles estructurales (debido al límite de difracción óptica). Sin embargo, cuando se coloca debajo de una punta, una luz desplazada al rojo mucho más intensa y localizada, producido por el campo plasmónico, está actuando sobre la molécula. La combinación de ambos rayos proyecta las huellas vibratorias de la molécula en el rayo emisor, resolviendo químicamente la estructura interna de la molécula con resolución sub-nm. Crédito:Dong Xie y Rongting Zhou.
(Phys.org) —Un equipo de investigadores que trabaja en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China ha logrado desarrollar una técnica de mapeo químico capaz de revelar los átomos constituyentes de una sola molécula. En su artículo publicado en la revista Naturaleza , el equipo describe cómo combinaron la espectroscopia Raman con un microscopio de efecto túnel (STM) para permitir el mapeo químico de una molécula a una resolución de menos de 1 nm.
La espectroscopia Raman es donde los químicos hacen brillar un láser sobre un pequeño grupo de moléculas y luego miden la luz a medida que rebota. Los fotones de la fuente de luz hacen que las moléculas vibren e interactúen con los enlaces que mantienen unidas a las moléculas provocando un cambio en su frecuencia; la dispersión resultante es única para cada tipo de molécula y, por lo tanto, permite que el método se utilice como medios para identificar tipos de moléculas.
Arriba a la izquierda:mapa experimental de una molécula de porfirina aislada para una frecuencia de vibración determinada que revela el patrón de cuatro lóbulos. Abajo a la izquierda:cálculo teórico de la misma vibración molecular mostrando su huella dactilar. A la derecha:estructura molecular de la porfirina utilizada en el experimento. Crédito:Guoyan Wang y Yan Liang.
Un STM es un dispositivo que permite crear imágenes de materiales a nivel atómico; una de sus características únicas es la punta de metal muy pequeña que se usa en el punto de escaneo. En este nuevo esfuerzo, los investigadores combinaron la espectroscopia Raman con STM para permitir niveles sin precedentes de mapeo molecular.
Investigaciones anteriores han demostrado que cuando una punta STM se coloca dentro de nanómetros de ciertos metales, Se produce una excitación plasmónica que cuando se combina con la dispersión Raman puede permitir el mapeo de moléculas dentro de los 10 nm. En esta nueva investigación, el equipo ha descubierto que si la frecuencia de la excitación plasmónica se ajusta para que coincida con las vibraciones moleculares causadas por los fotones de la luz láser, la señal Raman aumenta bruscamente, dando como resultado una capacidad para mapear la molécula que se está estudiando a menos de 1 nm.
Debido al límite de difracción óptica, una sola molécula de porfirina no se puede resolver mediante la formación de imágenes ópticas convencionales con un láser verde solo. Sin embargo, cuando la molécula se coloca debajo de una punta, una luz desplazada al rojo mucho más intensa y localizada, producido por el campo plasmónico, está actuando sobre la molécula. La combinación de ambos rayos proyecta las huellas vibratorias de la molécula en el rayo emisor, resolviendo químicamente la estructura interna de la molécula con resolución sub-nm.
Los investigadores señalan que su técnica aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo; hasta ahora solo han podido usarla en una molécula:una porfirina en forma de anillo. El proceso que notan, es difícil y puede tardar semanas o meses en llevarse a cabo, lo que hace que su aplicación no sea práctica en este momento para los esfuerzos generales de investigación. Además, solo funciona cuando la molécula en estudio se mantiene al vacío y en un entorno de -200 ° C. Sin embargo, si la técnica puede afinarse con una multa, permitirá a los futuros químicos identificar los átomos en moléculas individuales. Una herramienta de este tipo podría abrir la puerta a nuevas formas de estudiar las moléculas a nivel nanométrico, así como los vínculos que las mantienen unidas.
Izquierda:Diagrama esquemático de dispersión Raman mejorada con punta controlada por túnel (TERS) en una configuración de iluminación lateral de tipo confocal, en el que Vb es el sesgo de la muestra y es la corriente de túnel. Se enfoca una luz láser en la nanocavidad definida por la punta y el sustrato del microscopio de efecto túnel de barrido (STM). El fuerte campo plasmónico local generado por el láser incidente provoca la mejora de la dispersión Raman de la única molécula debajo de la punta. Arriba a la derecha:espectro de TERS adquirido en el lóbulo; Abajo a la derecha:mapa TERS para el modo vibratorio a aproximadamente 817 cm-1 y perfil de línea correspondiente. Crédito:Zhenchao Dong
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