Nanostrukturerede metamaterialer identificerer den kemiske karakter af små molekyler

Infrarød (IR) absorptionsspektroskopi spiller en central rolle i materialer og biovidenskab og sikkerhedsdetektering til direkte analyse af molekylære fingeraftryk, herunder molekylære strukturer, sammensætning, og miljø.

Imidlertid, IR -inspektion af ekstremt små mængder molekyler er udfordrende på grund af baggrunds -IR -støj, derfor er der en stor efterspørgsel efter at forbedre signalkvaliteten af ​​denne teknik.

Nu, Atsushi Ishikawa og Kenji Tsuruta ved Okayama University, i samarbejdet med RIKEN, Japan, har udviklet et nyt metamateriale - et konstrueret optisk materiale - til at manipulere IR -lys på den ønskede måde. Metamaterialet kan derefter udnytte den uønskede baggrundsstøj, derved dramatisk øget IR -spektroskopis ultimative sansekapacitet.

Forskerne kom med et unikt asymmetrisk metamaterialedesign, lavet af 20 nm guldfilm på et siliciumsubstrat (figur 1) for at rotere polarisationen, det er orienteringen af ​​IR -bølgesvingninger, under målinger. På denne måde, molekylerne knyttet til metamaterialet viste en anden polarisering end de andre, og forskerne var i stand til kun at detektere det målmolekylære signal ved helt at eliminere det uønskede baggrundslys.

Det nye metamateriales muligheder blev testet ved at identificere vibrationsstrækningen af ​​carbonoxid-dobbeltbindinger i en poly (methylmethacrylat) (PMMA) nanofilm. Målingen viste en tydelig IR-absorption af kulstofoxidstrækninger, opnåelse af zeptomolfølsomhed med en dramatisk forbedret signalkvalitet (figur 1).

Den nye metamateriale tilgang udviklet af teamet muliggjorde meget detaljerede IR-målinger af bittesmå molekyler på zeptomol-niveau, svarende til et par tusinde organiske molekyler. Forskerne forventer, at deres nye teknik åbner døre til udviklingen af ​​ultralydsfølsomme IR -inspektionsteknologier til sofistikerede applikationer, såsom miljøovervågning og analyse af menneskelig ånde til diagnostik.