Utilizzando le tecniche di test convenzionali, può essere difficile, a volte impossibile, rilevare contaminanti dannosi come nanoplastiche, inquinanti atmosferici e microbi negli organismi viventi e nei materiali naturali. Questi contaminanti a volte si trovano in quantità così piccole che i test non sono in grado di rilevarli in modo affidabile.
Tuttavia, la situazione potrebbe presto cambiare. La nanotecnologia emergente (basata su uno stato di luce "contorto") promette di rendere più semplice l'identificazione della composizione chimica delle impurità e della loro forma geometrica in campioni di aria, liquidi e tessuti vivi.
Un team internazionale di scienziati guidati da fisici dell’Università di Bath sta contribuendo a questa tecnologia, che potrebbe aprire la strada a nuovi metodi di monitoraggio ambientale e medicine avanzate. Il loro lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Materials .
La tecnica emergente di rilevamento chimico si basa su un’interazione luce-materia nota come effetto Raman. L'effetto Raman si verifica quando un materiale illuminato con un certo colore di luce si disperde e trasforma la luce in una moltitudine di colori leggermente diversi. Essenzialmente produce un mini-arcobaleno che dipende da come vibrano gli atomi all'interno dei materiali.
Misurare i colori dell’arcobaleno Raman rivela i singoli legami atomici perché i legami molecolari hanno modelli vibrazionali distinti. Ogni legame all'interno di un materiale produce il proprio cambiamento di colore unico rispetto a quello dell'illuminazione. Nel complesso, i colori dell'arcobaleno Raman servono a rilevare, analizzare e monitorare la composizione chimica (legami chimici) di molecole complesse, come quelle che si trovano all'interno di miscele di inquinanti ambientali.
"L'effetto Raman serve a rilevare pesticidi, prodotti farmaceutici, antibiotici, metalli pesanti, agenti patogeni e batteri. Viene utilizzato anche per analizzare i singoli aerosol atmosferici che influiscono sulla salute umana e sul clima", ha affermato il dottor Robin Jones del Dipartimento di Fisica di Bath, chi è il primo autore dello studio.
Il coautore, il professor Liwu Zhang del Dipartimento di Scienze Ambientali dell'Università di Fudan in Cina, ha affermato:"Gli inquinanti acquatici, anche in tracce, possono accumularsi negli organismi viventi attraverso la catena biologica. Ciò rappresenta una minaccia per la salute umana, il benessere degli animali e la fauna selvatica In generale, è davvero difficile sapere esattamente quale sia la composizione chimica delle miscele complesse."
Il professor Ventsislav Valev di Bath, che ha condotto lo studio, ha aggiunto:"È necessario comprendere gli inquinanti complessi e potenzialmente dannosi presenti nell'ambiente, in modo da poter imparare come scomporli in componenti innocui. Ma non è solo questione di quali atomi siano". di cui sono fatti. Il modo in cui sono disposti gli atomi è molto importante:può essere decisivo per il modo in cui agiscono le molecole, soprattutto all'interno degli organismi viventi.
"Il nostro lavoro mira a sviluppare nuovi modi in cui l'effetto Raman può raccontarci il modo in cui gli atomi sono disposti nello spazio e ora abbiamo compiuto un importante passo avanti tecnologico utilizzando minuscole antenne a forma di elica fatte d'oro."
L'effetto Raman è molto debole:solo un fotone su 1.000.000 (particelle di luce) subisce il cambiamento di colore. Per migliorarlo, gli scienziati utilizzano antenne in miniatura fabbricate su scala nanometrica che incanalano la luce incidente nelle molecole. Spesso queste antenne sono realizzate in metalli preziosi e la loro progettazione è limitata dalle capacità di nanofabbricazione.
Il team di Bath ha utilizzato le antenne elicoidali più piccole mai utilizzate:la loro lunghezza è 700 volte inferiore allo spessore di un capello umano e la larghezza delle antenne è 2.800 volte inferiore. Queste antenne sono state realizzate in oro dagli scienziati del team del professor Peer Fischer dell'Università di Stoccarda in Germania.
"Le nostre misurazioni mostrano che queste antenne elicoidali aiutano a estrarre molti fotoni arcobaleno Raman dalle molecole", ha affermato il dott. Jones. "Ma, cosa ancora più importante, la forma elicoidale migliora la differenza tra due tipi di luce che vengono spesso utilizzati per sondare la geometria delle molecole. Questi sono noti come luce polarizzata circolarmente.
"La luce polarizzata circolarmente può essere sinistrorsa o destrorsa e le nostre eliche possono, fondamentalmente, stringersi la mano con la luce. E poiché possiamo far ruotare le eliche a sinistra o a destra, la stretta di mano con la luce che abbiamo ideato può essere entrambe con la mano sinistra o destra."
"Anche se tali strette di mano sono state osservate in precedenza, il progresso chiave qui è che dimostriamo per la prima volta che viene avvertito dalle molecole, poiché influenza il loro arcobaleno Raman. Questo è un passo importante che ci permetterà di distinguere in modo efficiente e affidabile tra molecole levogire e destrorse, prima in laboratorio e poi nell'ambiente."
Per dimostrare che il nuovo passaggio di mano tra la luce e le antenne potrebbe essere trasmesso alle molecole, i ricercatori hanno utilizzato molecole, il cristallo viola, che da sole non sono in grado di "stringersi la mano" con la luce. Eppure queste molecole si comportavano come se potessero svolgere questa funzione, esprimendo la capacità di "stretta di mano" delle nanoeliche d'oro a cui erano attaccate.
"Un altro aspetto importante del nostro lavoro qui è che abbiamo lavorato con due partner industriali", ha affermato il professor Valev. "VSParticle produce nanomateriali standard per misurare la luce Raman. Disporre di standard comuni è davvero importante affinché i ricercatori di tutto il mondo possano confrontare i risultati."
Ha aggiunto:"Il nostro partner industriale Renishaw PLC è un produttore leader a livello mondiale di apparecchiature per spettroscopia e microscopia Raman. Tali partnership sono essenziali, affinché la nuova tecnologia possa uscire dai laboratori e entrare nel mondo reale, dove si trovano le sfide ambientali. "
Basandosi su questo lavoro, il team sta ora lavorando allo sviluppo di forme più avanzate di tecnologie Raman.
Ulteriori informazioni: Robin R. Jones et al, Array densi di nanoeliche:lo scattering Raman da molecole achirali rivela i miglioramenti del campo vicino nelle metasuperfici chirali, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202209282
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dall'Università di Bath
