Gli SNC di ossido di stagno finemente preparati con un metodo modello dendrimero vengono caricati sui sottili strati di guscio di silice degli amplificatori plasmonici, in modo tale che i segnali Raman degli SNC siano sostanzialmente potenziati ad un livello rilevabile. L'intensità dei campi elettromagnetici generati dalle proprietà di risonanza plasmonica superficiale delle nanoparticelle di Au o Ag decade esponenzialmente con la distanza dalla superficie. Perciò, un design razionale dell'interfaccia tra gli amplificatori e gli SNC è la chiave per acquisire forti segnali Raman. Credito: Progressi scientifici
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno sviluppato una nuova metodologia che consente ai ricercatori di valutare la composizione chimica e la struttura delle particelle metalliche con un diametro di soli 0,5-2 nm. Questa svolta nelle tecniche analitiche consentirà lo sviluppo e l'applicazione di materiali minuscoli nei campi dell'elettronica, biomedicina, chimica, e altro ancora.
Lo studio e lo sviluppo di nuovi materiali hanno consentito innumerevoli scoperte tecnologiche e sono essenziali nella maggior parte dei campi della scienza, dalla medicina e dalla bioingegneria all'elettronica d'avanguardia. La progettazione razionale e l'analisi di materiali innovativi su scala nanoscopica ci consente di superare i limiti dei dispositivi e delle metodologie precedenti per raggiungere livelli di efficienza e nuove capacità senza precedenti. È il caso delle nanoparticelle metalliche, che sono attualmente sotto i riflettori della ricerca moderna per le loro innumerevoli potenziali applicazioni. Un metodo di sintesi sviluppato di recente che utilizza molecole di dendrimero come modello consente ai ricercatori di creare nanocristalli metallici con diametri da 0,5 a 2 nm (miliardesimi di metro). Queste particelle incredibilmente piccole, chiamati "cluster subnano" (SNC), hanno proprietà molto distintive, come essere ottimi catalizzatori per reazioni (elettro)chimiche ed esibire peculiari fenomeni quantistici molto sensibili alle variazioni del numero di atomi costituenti i cluster.
Sfortunatamente, i metodi analitici esistenti per studiare la struttura di materiali e particelle su scala nanometrica non sono adatti per il rilevamento SNC. Uno di questi metodi, chiamata spettroscopia Raman, consiste nell'irradiare un campione con un laser e nell'analizzare gli spettri dispersi risultanti per ottenere un'impronta molecolare o un profilo dei possibili componenti del materiale. Sebbene la spettroscopia Raman tradizionale e le sue varianti siano state strumenti preziosi per i ricercatori, non possono ancora essere utilizzati per SNC a causa della loro bassa sensibilità. Perciò, un team di ricerca della Tokyo Tech, compreso il dottor Akiyoshi Kuzume, Prof. Kimihisa Yamamoto e colleghi, ha studiato un modo per migliorare le misurazioni della spettroscopia Raman e renderle competenti per l'analisi SNC (Figura).
Un particolare tipo di approccio alla spettroscopia Raman è chiamato spettroscopia Raman con superficie migliorata. Nella sua variante più raffinata, nanoparticelle di oro e/o argento racchiuse in un sottile guscio di silice inerte vengono aggiunte al campione per amplificare i segnali ottici e quindi aumentare la sensibilità della tecnica. Il team di ricerca si è inizialmente concentrato sulla determinazione teorica della loro dimensione e composizione ottimali, dove gli amplificatori ottici d'argento da 100 nm (quasi il doppio della dimensione comunemente usata) possono amplificare notevolmente i segnali degli SNC aderiti al guscio di silice porosa. "Questa tecnica spettroscopica genera selettivamente segnali Raman di sostanze che si trovano in prossimità della superficie degli amplificatori ottici, " spiega il Prof. Yamamoto. Per mettere alla prova questi risultati, hanno misurato gli spettri Raman degli SNC di ossido di stagno per vedere se potevano trovare una spiegazione nella loro composizione strutturale o chimica per la loro attività catalitica inspiegabilmente elevata in alcune reazioni chimiche. Confrontando le loro misurazioni Raman con simulazioni strutturali e analisi teoriche, hanno trovato nuove intuizioni sulla struttura degli SNC di ossido di stagno, spiegando l'origine dell'attività catalitica specifica dipendente dall'atomicità degli SNC di ossido di stagno.
La metodologia impiegata in questa ricerca potrebbe avere un grande impatto sullo sviluppo di migliori tecniche analitiche e scienza su scala subnano. "La comprensione dettagliata della natura fisica e chimica delle sostanze facilita la progettazione razionale dei subnanomateriali per applicazioni pratiche. I metodi spettroscopici altamente sensibili accelereranno l'innovazione dei materiali e promuoveranno la subnanoscienza come campo di ricerca interdisciplinare, " conclude il Prof. Yamamoto. I progressi come quello presentato da questo gruppo di ricerca saranno essenziali per ampliare il campo di applicazione dei subnanomateriali in vari campi tra cui biosensori, elettronica, e catalizzatori.
Lo studio è pubblicato su Progressi scientifici .
