I metamateriali plasmonici sono sostanze artificiali la cui struttura può essere manipolata per influenzare il modo in cui interagiscono con la luce. Come tale, i metamateriali offrono una piattaforma interessante per applicazioni di rilevamento, compresa la spettroscopia di assorbimento a infrarossi (IR), una tecnica utilizzata per scoprire i dettagli della composizione chimica e della struttura delle sostanze.

Ora, Atsushi Ishikawa dell'Università di Okayama e colleghi hanno fabbricato un nuovo assorbitore di metamateriali plasmonici composto da oro e fluoro di magnesio in grado di rilevare gli infrarossi ad alta sensibilità. Il metamateriale potrebbe rivelarsi prezioso nello sviluppo di tecnologie di ispezione IR di prossima generazione.

I ricercatori hanno progettato con cura il loro assorbitore per massimizzare il segnale IR e ridurre al minimo il rumore di fondo. Il metamateriale è costituito da nastri d'oro da 50 nm su uno spesso film d'oro, separati da uno strato di fluoro di magnesio (vedi immagine).

La lunghezza d'onda dell'IR è più lunga e ha meno energia della luce visibile, il che significa che non è abbastanza forte da eccitare gli elettroni, a differenza di altri tipi di spettroscopia. La spettroscopia di assorbimento IR sfrutta quindi la capacità dell'IR di indurre vibrazioni negli atomi legati. I composti organici assorbiranno la radiazione IR corrispondente ai diversi tipi di vibrazioni molecolari presenti; gli spettri di assorbimento risultanti informano gli scienziati sulla struttura chimica unica dei composti.

Per testare le capacità del nuovo metamateriale, il team ha deciso di identificare le modalità vibrazionali di stiramento dei legami carbonio-idrogeno nell'acido 16-mercaptoesadecanoico (16-MHDA). Hanno immerso l'assorbitore in una soluzione di etanolo 16-MHDA per incoraggiare lo sviluppo di un monostrato autoassemblante delle molecole di acido. Sotto radiazione IR a diversi angoli di incidenza, l'output spettrale del monostrato metamateriale mostrava picchi distinti corrispondenti allo stiramento carbonio-idrogeno, con i picchi più pronunciati sotto IR con un angolo di 40°.

Il nuovo approccio metamateriale ha fornito misurazioni altamente dettagliate relative a piccoli dettagli molecolari (a livello di attamolo) nel monostrato 16-MHDA. I ricercatori sperano che la loro nuova tecnica apra le porte allo sviluppo di tecnologie di ispezione IR ultrasensibili per la scienza dei materiali e le applicazioni di sicurezza.

Metamateriali

La capacità di manipolare l'assorbimento della luce dei materiali potrebbe rivoluzionare molte tecnologie, come celle fotovoltaiche e dispositivi termici. La ricerca nella progettazione e nello sviluppo di metamateriali plasmonici è ancora relativamente nuova. Questi materiali sono sintetici, e gli scienziati possono progettare le loro strutture superficiali per sfruttare il comportamento dei plasmoni di superficie - quasiparticelle che esistono su superfici metalliche e interagiscono con la luce - per ottenere proprietà ottiche sintonizzabili.

La spettroscopia di assorbimento a infrarossi potrebbe essere notevolmente migliorata dall'introduzione di assorbitori regolabili basati su metamateriali progettati per consentire il rilevamento ad alta risoluzione di piccoli dettagli molecolari.

Metodologia

L'assorbitore di metamateriale costruito dal team comprendeva nano-nastri d'oro (che misurano 50 nm di spessore) su una base di pellicola d'oro, con un sottile strato di fluoro di magnesio che separa i due strati d'oro. Poiché i monostrati molecolari si autoassemblano su superfici di metalli nobili, hanno ipotizzato che il metamateriale a base d'oro si sarebbe rivelato un forte candidato per consentire la misurazione ad alta risoluzione dei modi vibrazionali indotti da IR in monostrati autoassemblanti.

Il loro approccio prevedeva la copertura del loro assorbitore di metamateriale con un monostrato ultrasottile autoassemblante di molecole di acido 16-MDHA. Hanno anche coperto un campione di pellicola d'oro nudo con lo stesso monostrato per il confronto.

I ricercatori hanno sottoposto i due monostrati a radiazioni IR a diversi angoli di incidenza. Il monostrato su oro nudo ha mostrato un basso rapporto segnale-rumore, ed era molto difficile vedere i cali di assorbimento sull'uscita spettrale corrispondenti allo stiramento carbonio-idrogeno indotto da IR nel monostrato.

In contrasto, i cali di assorbimento erano molto ben pronunciati nella lettura spettrale per il monostrato di metamateriale, perché i modi vibrazionali delle molecole 16-MHDA risuonavano con i modi plasmonici del metamateriale. Questo cosiddetto "accoppiamento risonante" ha prodotto picchi distinti corrispondenti allo stiramento carbonio-idrogeno indotto da IR nella struttura molecolare 16-MHDA. L'accoppiamento risonante dipendeva dall'angolo della luce incidente, con il più chiaro, segnale più forte con un angolo di 40°.

I ricercatori ritengono che il loro assorbitore possa aprire le porte a nuove tecnologie di rilevamento IR ultrasensibili. Ulteriore, la loro tecnica potrebbe essere sfruttata in altri modi:ottimizzando la struttura superficiale di altri metamateriali, potrebbero migliorare ulteriormente l'accoppiamento risonante e consentire sensibilità fino al livello di zeptomole.