Científicos del Centro de Fotónica y Materiales 2-D del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT), la Universidad de Oviedo, Centro Internacional de Física de Donostia, y CIC nanoGUNE han propuesto una nueva forma de estudiar las propiedades de moléculas orgánicas individuales y nanocapas de moléculas. El enfoque, descrito en Nanofotónica , se basa en estructuras de película de grafeno-metal en forma de V.

El análisis no destructivo de moléculas mediante espectroscopia infrarroja es vital en muchas situaciones de la química orgánica e inorgánica:para controlar las concentraciones de gas, detectar la degradación del polímero, medir el contenido de alcohol en la sangre, etc. Sin embargo, este método simple no es aplicable a pequeñas cantidades de moléculas en un nanovolumen. En su estudio reciente, investigadores de Rusia y España proponen una forma de abordar este problema.

Una noción clave que subyace a la nueva técnica es la de plasmón. Definido en forma amplia, se refiere a una oscilación electrónica acoplada a una onda electromagnética. Propagando juntos, los dos pueden verse como una cuasipartícula.

El estudio consideró los plasmones en una estructura en forma de cuña de varias docenas de nanómetros de tamaño. Un lado de la cuña es una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor, conocido como grafeno. Acomoda plasmones que se propagan a lo largo de la hoja, con cargas oscilantes en forma de electrones o huecos de Dirac. El otro lado de la estructura en forma de V es una película de oro u otra película metálica conductora de electricidad que corre casi paralela a la hoja de grafeno. El espacio intermedio se llena con una capa cónica de material dieléctrico, por ejemplo, nitruro de boro, que tiene 2 nanómetros de espesor en su punto más estrecho (fig. 1).

Esta configuración permite la localización de plasmones, o enfocar. Esto se refiere a un proceso que convierte plasmones regulares en de longitud de onda más corta, llamado acústico. A medida que un plasmón se propaga a lo largo del grafeno, su campo se ve forzado a espacios progresivamente más pequeños en la cuña ahusada. Como resultado, la longitud de onda se vuelve muchas veces menor y la amplitud del campo en la región entre el metal y el grafeno se amplifica. De esa manera, un plasmón regular se transforma gradualmente en uno acústico.

"Anteriormente se sabía que los polaritones y los modos de onda se someten a tal compresión en las guías de onda decrecientes. Nos propusimos examinar este proceso específicamente para el grafeno, pero luego pasó a considerar las posibles aplicaciones del sistema grafeno-metal en términos de producción de espectros moleculares, ", dijo el coautor del artículo Kirill Voronin del Laboratorio MIPT de Nanoóptica y Plasmónica.

El equipo probó su idea en una molécula conocida como CBP, que se utiliza en farmacéutica y diodos emisores de luz orgánicos. Se caracteriza por un pico de absorción prominente a una longitud de onda de 6,9 ​​micrómetros. El estudio analizó la respuesta de una capa de moléculas, que se colocó en la parte delgada de la cuña, entre el metal y el grafeno. La capa molecular era tan delgada como 2 nanómetros, o tres órdenes de magnitud menor que la longitud de onda de los plasmones de excitación láser. Medir una absorción tan baja de las moléculas sería imposible usando espectroscopía convencional.

En la configuración propuesta por los físicos, sin embargo, el campo está localizado en un espacio mucho más estrecho, lo que permite al equipo concentrarse en la muestra y registrar una respuesta de varias moléculas o incluso de una única molécula grande, como el ADN.

Hay diferentes formas de excitar plasmones en grafeno. La técnica más eficaz se basa en un microscopio de campo cercano de barrido de tipo dispersión. Su aguja se coloca cerca del grafeno y se irradia con un haz de luz enfocado. Dado que la punta de la aguja es muy pequeña, puede excitar ondas con un vector de onda muy grande y una longitud de onda pequeña. Los plasmones excitados desde el extremo cónico de la cuña viajan a lo largo del grafeno hacia las moléculas que se van a analizar. Después de interactuar con las moléculas, los plasmones se reflejan en el extremo cónico de la cuña y luego se dispersan por la misma aguja que inicialmente los excitó, que por lo tanto funciona como un detector.

"Calculamos el coeficiente de reflexión, es decir, la relación entre la intensidad del plasmón reflejado y la intensidad de la radiación láser original. El coeficiente de reflexión depende claramente de la frecuencia, y la frecuencia máxima coincide con el pico de absorción de las moléculas. Se hace evidente que la absorción es muy débil, alrededor de varios por ciento, en el caso de los plasmones de grafeno regulares. Cuando se trata de plasmones acústicos, el coeficiente de reflexión es diez por ciento más bajo. Esto significa que la radiación se absorbe fuertemente en la pequeña capa de moléculas, "añade el coautor del artículo y profesor visitante del MIPT, Alexey Nikitin, investigador del Centro Internacional de Física de Donostia, España.

Tras ciertas mejoras en los procesos tecnológicos implicados, el esquema propuesto por los investigadores rusos y españoles se puede utilizar como base para la creación de dispositivos reales. Según el equipo, principalmente serían útiles para investigar las propiedades de compuestos orgánicos poco estudiados y para detectar compuestos conocidos.