Un nuovo metodo consentirà di creare dispositivi compatti che determineranno con precisione la composizione molecolare di un liquido o di un gas, e aiutano a identificare composti chimici potenzialmente pericolosi. I risultati del lavoro svolto dai ricercatori dell'Università ITMO e dell'Università Ben-Gurion del Negev, Israele sono stati pubblicati in Nanomateriali .

Oggi, sempre più attenzione è rivolta alla qualità dell'aria e dell'acqua e al controllo di eventuali composti nocivi che possono contenere. Anche una piccola concentrazione di tali composti può avere un enorme effetto negativo sulla salute dell'uomo e degli animali. Abbiamo bisogno di apparecchiature complesse per monitorare la composizione chimica delle sostanze e identificare composti specifici. Il più diffuso dei metodi precedentemente applicati è la spettroscopia vibrazionale.

"Con la spettroscopia vibrazionale, puoi facilmente apprendere la composizione molecolare di qualsiasi sostanza precedentemente sconosciuta a te, " spiega Daler Dadadzhanov, Studente di dottorato in un programma congiunto dell'Università ITMO e dell'Università Ben-Gurion del Negev, Israele, ricercatore associato presso il Centro Internazionale di Ricerca e Formazione per la Fisica delle Nanostrutture. "Funziona così:abbiamo una sostanza sconosciuta che consiste in un numero di atomi che interagiscono tra loro; un gruppo amminico, Per esempio, ha atomi di idrogeno e azoto. Quando sottoposto a radiazioni luminose, questi atomi iniziano a oscillare, assorbendo una certa quantità di energia mentre ci sono. Di conseguenza, l'energia in uscita sarà inferiore. La frequenza alla quale l'energia è stata assorbita, può essere utilizzato per determinare i gruppi atomici funzionali di cui è costituita una molecola. Quindi, potrebbe essere creato un 'ID molecolare' che può quindi essere utilizzato da un rilevatore in quanto determina il tipo di sostanza con cui è stato presentato."

Gli spettrometri oggi utilizzati di solito operano nella gamma spettrale del medio infrarosso, con la lunghezza d'onda di 2,5-25 micrometri. In questa fascia, le differenze tra l'energia della luce incidente e l'energia che è già passata attraverso la sostanza possono essere facilmente definite e analizzate. Gli analizzatori che lavorano in questa gamma, però, sono relativamente grandi e ingombranti, oltre che piuttosto costoso. Inoltre, alcune bande nello spettro del medio infrarosso sono così intense, come quelli collegati alla vibrazione degli atomi di idrogeno di un gruppo OH, che portano all'assorbimento totale di energia quando rilevano piccole quantità di sostanze. Queste bande sono causa di difficoltà nell'interpretazione di altre bande vibrazionali caratteristiche nello spettro di assorbimento.

Il sistema potrebbe essere reso più volte più piccolo, se potesse operare non nel medio infrarosso ma nello spettro del vicino infrarosso coerente con la radiazione a onde corte. Lo spettro del vicino infrarosso è studiato molto più di quello del medio infrarosso, principalmente perché è utilizzato dai moderni sistemi di telecomunicazione.

"Il vantaggio principale dello spettro del vicino infrarosso è che al giorno d'oggi ci sono molte unità di radiazione continua efficienti dal punto di vista energetico e di alta qualità e rilevatori affidabili, " commenta Dadadzhanov. "Sono più economici di quelli utilizzati nella gamma del medio infrarosso e più compatti. Così, l'apparecchiatura dello spettro del medio infrarosso può avere una dimensione di 1,5 per 1,5 metri, mentre quello nel vicino infrarosso potrebbe stare su un palmo umano."

Però, c'è un problema:accorciare la lunghezza d'onda significa che la differenza tra l'energia in entrata e in uscita diventa troppo piccola per essere facilmente rilevata. Di conseguenza, è necessaria una maggiore quantità di sostanza per un'analisi di buona qualità, che mette a rischio la compattazione del dispositivo. Per di più, molti sensori hanno lo scopo di rilevare sostanze sconosciute con concentrazioni marginalmente piccole, come molecole tossiche. Il compito diventa più difficile nello spettro del vicino infrarosso.

Prima di creare un analizzatore basato sulla spettroscopia vibrazionale nel vicino infrarosso, gli scienziati devono trovare un modo per amplificare il segnale ricevuto a causa della differenza tra l'energia in entrata e in uscita. Questo era ciò che i ricercatori dell'Università Ben-Gurion del Negev, Israele, guidato dalla dott.ssa Alina Karabchevsky e dai loro colleghi dell'Università ITMO, stavano lavorando.

"Nel nostro giornale, proponiamo il seguente disegno:su una base di un dielettrico trasparente, Come, Per esempio, vetro borosilicato, si forma una serie periodica di nanoparallelepipedi d'oro. Tali strutture possono essere acquisite con litografia a fascio di elettroni, " continua Dadadzhanov. "Dopo di che, copriamo il substrato con uno strato sottile della sostanza studiata e registriamo lo spettro di trasmittanza del campione, che è condizionata dall'eccitazione combinata della risonanza plasmonica nelle nanoparticelle d'oro e dalle vibrazioni molecolari (sovratoni) della sostanza studiata. I nanoparallelepipedi d'oro nella forma proposta hanno la loro risonanza plasmonica esattamente nella stessa area dello spettro in cui le molecole studiate hanno le loro bande di assorbimento. Inoltre, in prossimità di una superficie metallica il campo elettromagnetico è fortemente amplificato. Perciò, questo aumenta la sensibilità del sensore proposto."

Il documento pubblicato è teorico, con ricerche condotte su modelli numerici. La fase successiva, perciò, sarà condurre esperimenti reali nella creazione di tali sistemi in condizioni di laboratorio.