I ricercatori hanno stabilito un approccio per identificare l'orientamento di molecole e legami chimici in film sottili ibridi organici-inorganici cristallini depositati su substrati utilizzando la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR) e la luce infrarossa polarizzata con una riflettanza totale attenuata (ATR) stampata in 3D. unità. Questo metodo economico con apparecchiature di laboratorio raggiunge rapidamente il modello della struttura cristallina di film anche estremamente sottili inferiori a 10 nm.

"Qualsiasi problema può essere risolto con un po' di ingegno."

Anche se potrebbero non essere gli autori di questa citazione, il recente lavoro dei ricercatori dell'Università della prefettura di Osaka sulla comprensione dell'orientamento molecolare del materiale ibrido a film sottile è un esempio concreto del suo messaggio centrale. "Volevamo che tutti avessero accesso a questa conoscenza, " dichiara capofila della ricerca, Professor Masahide Takahashi della Graduate School of Engineering dell'OPU. Utilizzando apparecchiature di laboratorio con configurazioni ottiche stampabili in 3D, il suo gruppo di ricerca ha stabilito un facile, versatile, approccio ancora altamente sensibile per identificare l'orientamento delle molecole e dei legami chimici in un film sottile ibrido cristallino organico-inorganico depositato su un substrato di soli 10 nm, "pellicola uniforme con tre strati molecolari, " dice il professore. Il loro lavoro è stato pubblicato il 18 giugno in Scienze chimiche .

L'attrezzatura utilizzata era uno spettrometro che utilizza una tecnica chiamata spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR) e luce infrarossa polarizzata con un'unità di riflettanza totale attenuata (ATR) originariamente progettata e stampata in 3D. Gli spettrometri FT-IR si trovano nella maggior parte dei laboratori in parte perché mostrano quali molecole si trovano in un campione, ma non sono stati in grado di rivelare l'orientamento tridimensionale di queste molecole rispetto ai substrati. Questo è importante per la produzione di dispositivi a film sottile che possono essere di dimensioni nanometriche, poiché un cambiamento imprevisto nell'orientamento molecolare a quel livello può causare la rottura dell'intera struttura del dispositivo.

Convenzionalmente, nella spettroscopia FT-IR in configurazione di trasmissione, la luce infrarossa penetra dalla parte superiore del campione come uno spiedino. Questo stretto punto di ingresso e di uscita non consente al campione un'interazione sufficiente con la luce per eccitare le molecole nei loro stati chimicamente legati. "Ci siamo resi conto che riorientando il campione, potremmo introdurre la luce polarizzata direttamente nel substrato del film sottile, generando un'onda evanescente che riscalda il campione, eccitando certe molecole e tradendo il loro orientamento, " afferma Bettina Baumgartner, un ricercatore in visita nel team.

"Avevamo solo bisogno di un nuovo tipo di interfaccia di esempio, " aggiunge il Professore Associato Kenji Okada. È qui che il team ha progettato una nuovissima configurazione ottica ATR che fa rimbalzare la luce infrarossa polarizzata attraverso l'intero substrato del campione, consentendo al team di osservare la vibrazione di tutte le molecole allineate con il componente del campo elettrico del luce infrarossa, rivelando il loro orientamento. Qualsiasi laboratorio con una stampante 3D può realizzare queste configurazioni ottiche ATR.

Questo metodo, che il team ha utilizzato per ottenere le informazioni strutturali del film sottile della struttura metallo-organica con un grado di orientamento dei cristalli paragonabile all'analisi strutturale a raggi X, dovrebbe essere un metodo utile in molte situazioni nella scienza dei materiali, come quando il controllo dell'orientamento è collegato al controllo delle proprietà fisiche, il miglioramento funzionale dei materiali porosi utilizzati per la CO ₂ catturare, e lo sviluppo di nuovi catalizzatori eterogenei.