Quando un debole raggio di luce di colore verde illumina solo la molecola, la molecola è visibile ma priva di dettagli strutturali (a causa del limite di diffrazione ottica). Però, quando posizionato sotto una punta, una luce spostata verso il rosso molto più intensa e localizzata, prodotto dal campo plasmonico, agisce sulla molecola. La combinazione di entrambi i raggi proietta le impronte digitali vibrazionali della molecola nel raggio emittente, risolvendo chimicamente la struttura interna della molecola con risoluzione sub-nm. Credito:Dong Xie e Rongting Zhou.
(Phys.org) —Un team di ricercatori che lavorano presso l'Università cinese della scienza e della tecnologia è riuscito a sviluppare una tecnica di mappatura chimica in grado di rivelare gli atomi costituenti una singola molecola. Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Natura , il team descrive come hanno combinato la spettroscopia Raman con un microscopio a effetto tunnel (STM) per consentire la mappatura chimica di una molecola con una risoluzione inferiore a 1 nm.
La spettroscopia Raman è dove i chimici puntano un laser su un piccolo gruppo di molecole e poi misurano la luce mentre viene rimbalzata. I fotoni della sorgente di luce fanno vibrare le molecole e interagiscono con i legami che tengono insieme le molecole causando uno spostamento nella loro frequenza:la diffusione che ne risulta è unica per ogni tipo di molecola e consente quindi di utilizzare il metodo come mezzi per identificare i tipi di molecole.
In alto a sinistra:mappa sperimentale di una molecola di porfirina isolata per una data frequenza di vibrazione che rivela il pattern a quattro lobi. In basso a sinistra:calcolo teorico della stessa vibrazione molecolare che mostra la sua impronta digitale. A destra:struttura molecolare della porfirina utilizzata nell'esperimento. Credito:Guoyan Wang e Yan Liang.
Un STM è un dispositivo che consente di creare immagini di materiali a livello atomico:una delle sue caratteristiche uniche è la minuscola punta di metallo utilizzata nel punto di scansione. In questo nuovo sforzo i ricercatori hanno combinato la spettroscopia Raman con l'STM per consentire livelli senza precedenti di mappatura molecolare.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che quando una punta STM viene posizionata entro nanometri di determinati metalli, si verifica l'eccitazione plasmonica che, se combinata con lo scattering Raman, può consentire la mappatura delle molecole entro 10 nm. In questa nuova ricerca, il team ha scoperto che se la frequenza dell'eccitazione plasmonica viene regolata per corrispondere alle vibrazioni molecolari causate dai fotoni della luce laser, il segnale Raman è aumentato bruscamente, con conseguente capacità di mappare la molecola studiata a meno di 1 nm.
A causa del limite di diffrazione ottica, una singola molecola di porfirina non può essere risolta mediante imaging ottico convenzionale con un solo laser verde. Però, quando la molecola è posizionata sotto una punta, una luce spostata verso il rosso molto più intensa e localizzata, prodotto dal campo plasmonico, agisce sulla molecola. La combinazione di entrambi i raggi proietta le impronte digitali vibrazionali della molecola nel raggio emittente, risolvendo chimicamente la struttura interna della molecola con risoluzione sub-nm.
I ricercatori notano che la loro tecnica è ancora nelle primissime fasi di sviluppo, finora sono stati in grado di usarla solo su una molecola, una porfirina a forma di anello. Il processo che notano, è difficile e può richiedere settimane o mesi, rendendo la sua applicazione poco pratica a questo punto per gli sforzi di ricerca generali. Inoltre funziona solo quando la molecola in studio è tenuta nel vuoto e in un ambiente di -200°C. Se la tecnica può essere perfezionata, tuttavia, consentirà ai futuri chimici di identificare gli atomi nelle singole molecole. Uno strumento del genere potrebbe aprire la porta a nuovi modi per studiare le molecole a livello di nanoscala, nonché i legami che le tengono insieme.
A sinistra:diagramma schematico dello scattering Raman potenziato dalla punta (TERS) controllato da tunneling in una configurazione di illuminazione laterale di tipo confocale, in cui Vb è la polarizzazione del campione ed è la corrente di tunneling. Una luce laser viene focalizzata nella nanocavità definita dalla punta e dal substrato del microscopio a effetto tunnel (STM). Il forte campo plasmonico locale generato dal laser incidente provoca l'aumento della diffusione Raman dalla singola molecola sotto la punta. In alto a destra:spettro TERS acquisito sul lobo; In basso a destra:mappa TERS per la modalità vibrazionale a circa 817 cm-1 e profilo di linea corrispondente. Credito:Zhenchao Dong
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