Puster nyt liv i eksisterende teknologi:FT-IR-spektrometer viser molekylær orientering

Forskere har etableret en tilgang til at identificere orienteringen af ​​molekyler og kemiske bindinger i krystallinske organisk-uorganiske hybrid tynde film aflejret på substrater ved hjælp af Fourier transform infrarød spektroskopi (FT-IR) og polariseret infrarødt lys med en 3D-printet svækket total reflektans (ATR) enhed. Denne billige metode med udstyr af laboratoriekvalitet når hurtigt krystalstrukturmodellen af ​​selv ekstremt tynde film på mindre end 10 nm.

"Ethvert problem kan løses med lidt opfindsomhed."

Selvom de måske ikke er ophavsmændene til dette citat, nyligt arbejde fra forskere ved Osaka Prefecture University med at forstå den molekylære orientering af hybridt tyndfilmsmateriale er et konkret eksempel på dets centrale budskab. "Vi ønskede, at alle skulle have adgang til denne viden, " fastslår forskningsleder, Professor Masahide Takahashi fra OPU Graduate School of Engineering. Brug af udstyr i laboratoriekvalitet med 3D-printbare optiske opsætninger, hans forskergruppe har etableret en nem, alsidig, dog meget følsom tilgang til at identificere orienteringen af ​​molekyler og kemiske bindinger i krystallinsk organisk-uorganisk hybrid tynd film aflejret på et substrat så lille som 10 nm, "jævn film med tre molekylære lag, " siger professoren. Deres arbejde blev offentliggjort den 18. juni i Kemisk Videnskab .

Udstyret de brugte var et spektrometer, der anvender en teknik kaldet Fourier transform infrarød spektroskopi (FT-IR) og polariseret infrarødt lys med en originalt designet 3D-printet attenuated total reflectance (ATR) enhed. FT-IR-spektrometre findes i de fleste laboratorier, delvis fordi de viser, hvilke molekyler der findes i en prøve - men de har ikke været i stand til at afsløre den tredimensionelle orientering af disse molekyler i forhold til substraterne. Dette er vigtigt for fremstillingen af ​​tyndfilmsenheder, der kan være nanometer store, da et uforudset skift i molekylær orientering på det niveau kan få hele enhedens struktur til at bryde ned.

Konventionelt, i FT-IR spektroskopi i transmissionskonfiguration, infrarødt lys trænger ind fra toppen af ​​prøven som et spyd. Dette smalle ind- og udgangspunkt tillader ikke prøven nok interaktion med lyset til at excitere molekylerne i deres kemisk bundne tilstande. "Vi indså, at ved at omorientere prøven, vi kunne introducere polariseret lys direkte i substratet af den tynde film, genererer en flygtig bølge, der opvarmer prøven, spændende bestemte molekyler og forråder deres orientering, " siger Bettina Baumgartner, en gæsteforsker på holdet.

"Vi havde bare brug for en ny type prøvegrænseflade, " tilføjer lektor Kenji Okada. Det er her, holdet designede en helt ny ATR optisk opsætning, der afviser polariseret infrarødt lys gennem hele prøvesubstratet, hvilket gør det muligt for holdet at observere vibrationen af ​​alle molekyler, der er justeret med den elektriske feltkomponent i infrarødt lys, afsløre deres orientering. Ethvert laboratorium med en 3D-printer kan lave disse ATR optiske opsætninger.

Denne metode, som holdet brugte til at opnå den strukturelle information af metal-organisk ramme tyndfilm med en grad af krystalorientering, der kan sammenlignes med røntgenstrukturanalyse, forventes at være en nyttig metode i mange situationer inden for materialevidenskab, såsom hvor orienteringskontrol er forbundet med at kontrollere fysiske egenskaber, den funktionelle forbedring af porøse materialer brugt til CO ₂ fange, og udvikling af nye heterogene katalysatorer.