Получены «отпечатки» молекул с помощью плазмонов

Исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ и научных центров Испании предложили методику изучения свойств единичных органических молекул и нанометровых молекулярных слоев, основанную на применении клиновидных структур из графена и металлической пленки.

Плазмоны на графене / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в журнале Nanophotonics. Неразрушающий анализ молекул с помощью инфракрасной спектроскопии необходим для множества жизненно важных ситуаций в органической и неорганической химии, в частности, для контроля концентрации газа, выявления деградации полимера или определения содержания алкоголя в крови. Этот простой метод, однако, не позволяет изучать небольшое число молекул в нанометрических объемах. Ученые из Центра двумерных материалов МФТИ предложили свой метод решения проблемы.

Центральным «действующим лицом» новой методики стали плазмоны, распространяющиеся в клиновидной структуре размером в десятки нанометров. В широкой трактовке плазмоном называется псевдочастица, состоящая из колеблющихся электронов и связанного с ними электромагнитного поля.



В плазмонах, распространяющихся вдоль графена (слоя углерода толщиной в один атом), колеблющиеся заряды являются Дираковскими электронами или дырками. Если параллельно с графеном расположить металл с хорошей проводимостью — например, золото — на небольшом, в несколько нанометров расстоянии от графена, то плазмоны станут более локализованными, их длина волны сильно уменьшится. Такие плазмоны называют акустическими.

Рисунок 1. Игла ближнепольного микроскопа возбуждает обычные плазмоны в графене на большом расстоянии от узкой части клина / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Идея работы заключалась в использовании процесса преобразования обычных графеновых плазмонов в акустические путем их «сжатия» (фокусировки). Расстояние между напыленной пленкой металла и слоем графена постепенно уменьшается, образуя сужающийся клин, заполненный диэлектриком, например, нитридом бора. При распространении плазмона вдоль графена его поле становится все более и более сжато в зазоре между графеном и металлом. За счет этого многократно уменьшается длина волны и увеличивается амплитуда поля в зазоре.

И плазмон постепенно преобразуется из обычного в акустический. «То, как поляритоны и волноводные моды могут сжиматься при постепенном уменьшении волновода, было известно ранее. Мы же хотели рассмотреть этот процесс именно для графена, но пошли дальше и рассмотрели возможные применения системы из графена и металла для получения молекулярных спектров», — рассказывает Кирилл Воронин, соавтор работы, сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ.

В качестве примера ученые исследовали молекулу, сокращенно называемую CBP, которая используется в органических светодиодах и фармацевтике, — она имеет один довольно характерный пик поглощения примерно на длине волны 6,9 микрон. Авторы рассмотрели отклик от слоя молекул с толщиной 2 нанометра, размещенного в узкой части клина, между графеном и металлом.

То есть толщина исследуемого слоя была на три порядка меньше, чем длина волны возбуждающего лазерного излучения. Поэтому, используя стандартную спектроскопическую методику, измерить столь малое поглощение этих молекул было бы невозможно.

В предложенной физиками конфигурации, благодаря существенно меньшей области локализации поля, появляется возможность сфокусироваться на исследуемых молекулах так, чтобы получить очень большой отклик даже от нескольких молекул, а в случае больших молекул, как ДНК, и от единичной молекулы.

Плазмоны в графене можно возбуждать по-разному. Наиболее эффективно возбуждение с помощью сканирующего ближнепольного микроскопа рассеивающего типа. Игла этого микроскопа помещается на небольшом расстоянии от графена и облучается сфокусированным пучком света. И поскольку размер кончика иглы очень маленький, он может возбудить волны с очень большим волновым вектором (малой длиной волны).



Возбужденные вдали от узкой части клина плазмоны (рисунок 1) распространяются вдоль этого клина в сторону сужающейся части, где находится слой молекул. Плазмоны взаимодействуют с молекулами, отражаются от узкого окончания клина и рассеиваются этой же иглой ближнепольного микроскопа, за счет чего детектируются.

«Мы рассчитывали коэффициент отражения, то есть отношение интенсивности отраженного плазмона к интенсивности вводимого лазерного излучения. Хорошо видна зависимость коэффициента отражения от частоты. И ее максимум приходится на пик поглощения молекул. Видно, что для обычных графеновых плазмонов поглощение очень слабое, несколько процентов. А в случае акустических плазмонов коэффициент отражения падает на десятки процентов. Значит, излучение очень сильно поглощается в небольшом слое молекул», — уточняет соавтор работы, визит-профессор МФТИ Алексей Никитин.

Для создания девайса на основе предложенной авторами методики требуется доработка технологических процессов, однако концепция может быть в будущем воплощена в реальных устройствах. Основная сфера применения таких устройств, по мнению авторов работы, — исследование свойств малоизученных органических веществ и детектирование известных.

Источник

Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter


65d5c25b

Собаки 8088 Инна Штонда

Джек-Рассел Терьер. Спецификация окрасов

Казалось бы, нет ничего сложного в окрасе Джек-Рассел терьера, всего-то два варианта: биколор и триколор. На самом деле сюрпризы поджидают начинающего заводчика, когда совершенно неожиданно у пары, где оба родителя одинакового окраса, вдруг рождаются щенки с…

Собаки 7180 Диана Герасименко

Белая швейцарская овчарка. Семейная собака

В Германии, США и Канаде давно разводят немецких овчарок чисто белого окраса, регистрируя их с 1917 года. Породу называют белой швейцарской или белой американо-канадской овчаркой. А в сущности, это белая немецкая овчарка старого типа с нормальной пигментацией…

Собаки 7615 РЕДАКЦИЯ ЖУРНАЛА

Шипперке в вопросах и ответах

За последние годы интерес к породе шипперке заметно вырос, и нас стали узнавать на выставках. Тем не менее, к нам обращаются с множеством вопросов, самые интересные из которых мы и решили собрать в этой статье...

Собаки 3833 РЕДАКЦИЯ ЖУРНАЛА

Ассоциация кинологов Украины (AKU), мариупольское отделение «Бест»

Мариупольское городское отделение «Бест» Ассоциации кинологов Украины – молодая организация, которая начала свою работу в регионе почти 3 года назад. Открытие отделения, к сожалению, пришлось на непростое время, когда наша страна переживает большие потрясения…

Кошки 4819 Светлана Старушенко

Бенгальская кошка. Ручной леопард в доме

Меня всегда восхищала красота и грация диких животных. Однажды на страницах журнала «Кошки» я увидела фотографию потрясающе красивого животного, больше похожего на маленького леопарда. И не смогла остаться равнодушной! Как оказалось, это была бенгальская…

Кошки 4034 Наталья Мусиец

Тайская кошка. Отважная как лев, игривая как обезьянка

Тайская кошка известна своей многовековой историей, невероятной элегантностью образа и чарует своими магическими синими глазами. Это кошка-компаньон с сердцем, полным любви, ваш добрый дух, для которого важнее всего – человек и общение с ним, а не дом, в…

Кошки 3109 Елена Зазулинская

Весь мир в глазах твоих зеленых…

Давняя легенда гласит, что одним из мест обитания британцев была Римская Империя. В исторических хрониках Древнего Рима упоминаются крупные голубые коты с острыми клыками и большими круглыми медными глазами. Римляне брали их с собой в плавание для борьбы с…

Кошки 4994 Ирина Воронова

Невская маскарадная кошка. Чудо природы

Неизвестно, откуда у сибирских кошек появился колорный ген. Возможно, в результате произвольного скрещивания сибирских кошек с традиционными сиамскими или гималайскими, а возможно – как следствие наследственного рецессивного альбинизма. Кто знает! Но то, что…

Аквариум 5296 РЕДАКЦИЯ ЖУРНАЛА

АкваТерра-шоу–2016

В Киеве, в Выставочном центре «АККО Интернешнл», 3 и 4 сентября прошла Первая уникальная выставка «АкваТерра Шоу – 2016», посвященная современной аквариумистике и террариумистике. Организаторы: Общественный Союз «Объединение зообизнеса Украины» и…

Аквариум 4467 Лариса Семикова

Неповторимое очарование моллинезий

Так выглядит родина небольшой, хорошо известной аквариумистам рыбки – моллинезии (пецилии) велифера (Poecilia velifera). Эта рыбка – прародительница множества разновидностей аквариумных моллинезий. Близкие моллинезии велифера виды – Poecilia sphenops,…

Аквариум 1583 Вадим Дудченко

Какие бывают виды декораций для аквариумов

Если ваше любимое домашнее животное - это рыбки, то вы наверняка задавались вопросом обустройства их жилья. Красиво украшенный аквариум может стать отличным элементом декора в комнате и ее главным акцентом.

Аквариум 5183 Лариса Семикова

Красный попугай. Рыбка-революционер

Возможно, схожесть с птицей рыбке придавала изогнутая нижняя губа, напоминающая клюв. Необыкновенных красавцев презентовала тайваньская рыборазводная фирма.

Дикие животные 2425 Руслан Подгорный

Пенелопа, Агриппина и Гелиос из семейства кошачьих

Хотя неофициальный титул царя зверей принадлежит льву, но по силе, размерам и величию другой представитель семейства кошачьих – тигр, вовсе не уступает, а по ловкости и вовсе превосходит «царя». В Николаевском зоопарке сегодня живут три тигра: самец Гелиос и…

Дикие животные 3067 Руслан Подгорный

"Папик" Казимир и его молодая подруга Рикки

Бегемот, или гиппопотам, – поистине удивительное животное, которое раньше жило практически на всем юге Африки, а сейчас находится на грани исчезновения. На сегодняшний день в мире осталось около 140 тысяч особей, и их численность продолжает сокращаться.…

Дикие животные 5076 Лилия Вишневская

О «крысобелках», древнеримcком интересе и кулинарных пристрастиях Cosa Nostra

В сказке про Алису есть весьма интересный персонаж – Мышь соня. Милое созданье очень любит спать, потому его так и зовут – соня. Но что удивительно, именно благодаря книге Льюиса Кэрролла многие дети впервые знакомятся с этим маленьким грызуном. Конечно, Соня…

Экзотеррариум 4415 Руслан Подгорный

Рептилии Аскании-Нова

Несмотря на широкое распространение степной гадюки (Средняя и Восточная Европа, северо–западная часть Азии), ее ареал на юге Украины ограничен, в основном, целинными участками, поскольку пахотные земли малопригодны для обитания этих рептилий. Основное условие…

Дикие птицы 4288 В. С. Гавриленко

Когти, острые когти и очень острые когти

Хищный, загнутый и заостренный книзу клюв приспособлен к раздиранию пойманной жертвы, а вот ловят они добычу и умерщвляют не чем иным, как когтями, приводимыми в действие мышцами мускулистых ног. Среди нашей орнитофауны особенно преуспели в выращивании когтей…

Дикие птицы 3687 Генадiй Фесенко

Жовна чорна

Зустріч з жовною у лісопарку міста – це завжди невеличка подія. У сіруватий незатишний зимовий день, коли налітає різкий дошкульний вітер і раз-по-раз обсипає сніговою крупою, в грабовому лісі геть похмуро. Стовбури дерев чорніють, перемішано розбрівшись по…

Дикие птицы 4005 Руслан Подгорный

Пернатые непоседы

За все время орнитологических исследований, а это 175 лет, в заповеднике побывало 250 видов птиц. В последние два десятилетия орнитофауна «Аскании-Нова» представлена 226 видами, из которых 51 занесен в Красную книгу Украины. Наибольшее количество охраняемых…

Птицы 3382 Елена Гоенко

Решив приобрести птицу, вы берете на себя ответственность

Почему люди решают завести именно птицу, а не собаку или кошку? Довольно часто мы слышим истории о том, как человек, придя в зоомагазин или на «птичий рынок», глаза в глаза сталкивается с этим удивительным творением природы или слышит в свой адрес «Привет» и…

Статистика



Журналы

Top
Если нашли ошибку, выделяете её мышкой и нажимаете сочетание CTRL+ENTER