Qualche volta, sembra che le molecole facciano fatica a comunicare con gli scienziati. Quando si tratta di plasmoni di giunzione, essenzialmente onde luminose intrappolate in piccoli spazi tra metalli nobili, ciò che le molecole hanno da dire potrebbe cambiare radicalmente il design dei rivelatori utilizzati per la scienza e la sicurezza. La sensibilità di rilevamento di singole molecole è possibile attraverso lo scattering Raman da molecole convogliate in giunzioni plasmoniche. Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno scoperto che sequenze di spettri Raman registrate in corrispondenza di una giunzione plasmonica, formato da una punta d'oro e una superficie d'argento, mostrano fluttuazioni drammatiche di intensità, accompagnato dal passaggio da spettri a righe vibrazionali familiari di una molecola a spettri a banda larga della stessa origine. Le fluttuazioni confermano il modello precedente del team che assegna spettri di banda potenziati nello scattering Raman da nanogiunzioni plasmoniche al cortocircuito del plasmone di giunzione attraverso ponti molecolari interposti.

"Si tratta di porre le domande giuste e ascoltare ciò che ha da dire, " ha detto il dottor Patrick El-Khoury, che ha lavorato a questo progetto per 2 anni.

Una serie di dispositivi e strumenti all'avanguardia emergenti si basano sulle interazioni molecola-plasmone. Lavori recenti hanno dimostrato la sensibilità di rilevamento yoctomolare nello scattering Raman da nanogiunzioni plasmoniche, o la capacità di rilevare 1 molecola su 602, 214, 000, 000, 000, 000, 000, 000. I sensori plasmonici che operano a questo limite di rilevamento sono in grado di determinare l'identità chimica di piccole quantità di rischi radioattivi e ambientali. Lo sviluppo di nanoscopi chimici a singola molecola potrebbe rispondere a domande fondamentali sui processi fisici e chimici che avvengono su scale di lunghezza nanometrica. I fondamenti acquisiti da questo studio potrebbero avere un impatto sulla progettazione di sensori plasmonici ultrasensibili e nanoscopi chimici utilizzati per comprendere la chimica fondamentale alla base dell'immagazzinamento e della produzione di energia, così come i progetti di dispositivi elettronici estremamente piccoli.

"Prima di poter progettare i dispositivi di cui hai bisogno, devi sapere come si comportano le molecole su scale di lunghezza paragonabili alle loro dimensioni caratteristiche. La nostra ricerca è fondamentale, fornendo nuove informazioni su come le molecole interagiscono con i plasmoni di giunzione, " ha detto il dottor Wayne Hess, un fisico chimico al PNNL.

La squadra ha iniziato con una sottile lastra di vetro. Su di esso è cresciuto un sottile strato d'argento. Hanno aggiunto un singolo strato di 4, 4′-dimercaptostilbene (DMS), una molecola che si lega con una delle sue due parti tioliche alla superficie d'argento. Hanno messo il campione su un microscopio ottico invertito, sulla cui sommità è montato un microscopio a forza atomica (AFM). La sonda AFM dorata è inserita e impostata per essere a contatto con la superficie del campione. Un raggio laser verde è messo a fuoco molto strettamente attraverso l'obiettivo del microscopio, viaggia attraverso il vetro e la sottile pellicola metallica, ed eccita la giunzione formata tra la punta AFM e il campione. Il team ha quindi registrato sequenze di spettri Raman dalle molecole DMS nella giunzione. Un'analisi di correlazione bidimensionale delle sequenze spettrali registrate ha rivelato che gli stati vibrazionali osservabili del DMS possono essere suddivisi in due sottoinsiemi, in virtù della simmetria (C2h) del reporter il team ha selezionato appositamente per questo studio. Il primo insieme comprende le vibrazioni Raman permesse totalmente simmetriche (ag) che non sono né correlate tra loro né con i plasmoni che trasportano corrente. Il secondo set è costituito da modalità bu debolmente consentite, che sono correlati sia tra loro che con i plasmoni. Queste osservazioni dimostrano chiaramente che i plasmoni tunneling modulano i termini di accoppiamento vibronico da cui derivano le intensità delle vibrazioni bu. In effetti, El-Khoury e Hess hanno identificato modalità vibrazionali gateway per mediare lo spostamento di carica attraverso un gap plasmonico attraverso ponti molecolari conduttivi.

"Questo è un cambiamento di paradigma nella spettroscopia molecolare, poiché non siamo più alla ricerca di proprietà molecolari. Piuttosto, usiamo quelle proprietà:in questo studio, la simmetria dei modi vibrazionali osservabili - per parlarci dei ricchi ambienti in cui risiedono le molecole, " disse El-Khoury.

Utilizzando le conoscenze fondamentali acquisite da questo studio, El-Khoury e Hess stanno progettando nuovi sensori plasmonici e stanno lavorando allo sviluppo di un nanoscopio chimico ultrasensibile. Più specificamente, stanno sviluppando una nuova strumentazione che sfrutta le proprietà uniche dei plasmoni a spola di carica.