Los metamateriales plasmónicos son sustancias artificiales cuya estructura se puede manipular para influir en la forma en que interactúan con la luz. Como tal, Los metamateriales ofrecen una plataforma atractiva para aplicaciones de detección, incluida la espectroscopia de absorción de infrarrojos (IR), una técnica utilizada para descubrir detalles de la composición química y la estructura de las sustancias.

Ahora, Atsushi Ishikawa de la Universidad de Okayama y sus colegas han fabricado un novedoso absorbente de metamaterial plasmónico compuesto de oro y flúor de magnesio capaz de detectar IR de alta sensibilidad. El metamaterial podría resultar invaluable en el desarrollo de tecnologías de inspección IR de próxima generación.

Los investigadores diseñaron cuidadosamente su absorbedor para maximizar la señal de infrarrojos y minimizar el ruido de fondo. El metamaterial consta de cintas de oro de 50 nm sobre una película de oro gruesa, separados por una capa de flúor de magnesio (ver imagen).

La longitud de onda del IR es más larga y tiene menos energía que la luz visible, lo que significa que no es lo suficientemente fuerte para excitar electrones, a diferencia de otros tipos de espectroscopía. Por tanto, la espectroscopia de absorción de IR aprovecha la capacidad de los IR para inducir vibraciones en átomos enlazados. Los compuestos orgánicos absorberán la radiación IR correspondiente a los diferentes tipos de vibraciones moleculares presentes; los espectros de absorción resultantes informan a los científicos sobre la estructura química única de los compuestos.

Para probar las capacidades del nuevo metamaterial, el equipo decidió identificar los modos vibratorios de estiramiento de los enlaces carbono-hidrógeno en el ácido 16-mercaptohexadecanoico (16-MHDA). Sumergieron el absorbente en una solución de etanol 16-MHDA para estimular el desarrollo de una monocapa de autoensamblaje de moléculas de ácido. Bajo radiación IR en diferentes ángulos de incidencia, la salida espectral de metamaterial-monocapa mostró picos distintos correspondientes al estiramiento carbono-hidrógeno, con los picos más pronunciados bajo IR en un ángulo de 40 °.

El nuevo enfoque de metamaterial proporcionó mediciones muy detalladas pertenecientes a pequeños detalles moleculares (a nivel de atamol) en la monocapa de 16-MHDA. Los investigadores esperan que su nueva técnica abra las puertas al desarrollo de tecnologías de inspección IR ultrasensibles para aplicaciones de seguridad y ciencia de materiales.

Metamateriales

La capacidad de manipular la absorción de luz de los materiales podría revolucionar muchas tecnologías, como células fotovoltaicas y dispositivos térmicos. La investigación sobre el diseño y desarrollo de metamateriales plasmónicos es todavía relativamente nueva. Estos materiales son sintéticos, y los científicos pueden diseñar sus estructuras de superficie para aprovechar el comportamiento de los plasmones de superficie (cuasipartículas que existen en superficies metálicas e interactúan con la luz) para lograr propiedades ópticas sintonizables.

La espectroscopia de absorción infrarroja podría mejorarse drásticamente mediante la introducción de absorbentes sintonizables basados ​​en metamateriales diseñados para permitir la detección de alta resolución de pequeños detalles moleculares.

Metodología

El absorbente de metamaterial construido por el equipo constaba de nanocinta de oro (de 50 nm de grosor) sobre una base de película de oro. con una fina capa de flúor de magnesio que separa las dos capas de oro. Como las monocapas moleculares se autoensamblan en superficies de metales nobles, plantearon la hipótesis de que el metamaterial a base de oro resultaría un fuerte candidato para permitir la medición de alta resolución de modos vibracionales inducidos por IR en monocapas de autoensamblaje.

Su enfoque implicó cubrir su absorbente de metamaterial con una monocapa ultrafina autoensamblante de moléculas de ácido 16-MDHA. También cubrieron una muestra de película de oro desnudo con la misma monocapa para comparar.

Los investigadores sometieron las dos monocapas a radiación IR en diferentes ángulos de incidencia. La monocapa sobre oro desnudo exhibió una baja relación señal-ruido, y era muy difícil ver las caídas de absorción en la salida espectral correspondiente al estiramiento carbono-hidrógeno inducido por IR en la monocapa.

A diferencia de, las caídas de absorción fueron muy pronunciadas en la lectura espectral de la monocapa de metamaterial, porque los modos vibracionales de las moléculas de 16-MHDA resonaban con los modos plasmónicos del metamaterial. Este llamado "acoplamiento resonante" produjo picos distintos correspondientes al estiramiento carbono-hidrógeno inducido por IR en la estructura molecular 16-MHDA. El acoplamiento resonante dependía del ángulo de la luz incidente, con la mas clara, señal más fuerte en un ángulo de 40 °.

Los investigadores creen que su absorbedor puede abrir las puertas a nuevas tecnologías de detección de infrarrojos ultrasensibles. Más lejos, su técnica podría explotarse de otras formas:optimizando la estructura superficial de otros metamateriales, podrían mejorar aún más el acoplamiento resonante y permitir sensibilidades hasta el nivel de zeptomol.