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 3077 Леся Ткаченко

Боксёр – друг, который всегда рядом

Удивительная это порода – немецкий боксер! Благодаря своей врожденной социальности он всегда готов на контакт с человеком. Я бы даже сказала, этот контакт ему жизненно необходим, причем повседневно. Боксер – это рыба-прилипала: где ты – там и он. Просто быть…

Собаки 2620 Анна Шевчук

Русский той. Собака-игрушка

Тойтерьер (от англ. toy – «игрушка») – декоративная порода собак, выведенная в России. Маленькая, элегантная собака, подвижная, высоконогая, тонкая и сухая. Необычайно обаятельная, умная, преданная, привязчивая, домашний любимец. Активная, очень…

Собаки 7812 Татьяна Литвинова

Кане корсо. Любовь и преданность

Кане корсо – древняя итальянская порода, которая произошла от римской сторожевой собаки. «Cane» в переводе с итальянского языка – собака, a «corso» с точки зрения филологов происходит от греческого «kortos» – двор, огороженное место. По другой версии «corso»…

Собаки 3705 Олеся Лобур

Грифон. Собака-обезьянка

Грифон – редкая старинная порода родом из Бельгии. Кинологи не имеют единого мнения по поводу их происхождения. По одной из версий, порода грифон тесно связана с породой аффенпинчер, йоркширский терьер и мопс. От аффенпинчера у грифона форма черепа, прикус,…

Кошки 3672 Елена Шереметьева

Дикая кровь домашнего чаузи

Первое историческое упоминание об этом коте было найдено в Древнем Египте. Felis Chaus (хаус), также известный как Jungle cat, камышовый кот или болотная рысь, не боялся человека и стремился находиться поближе к его поселениям. Видимо, еще тогда хаусы…

Кошки 4632 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 2473 Яна Цевкач

Хайленд - фолд. Шикарные дамы

Хайленд-фолд – вислоухие кошки, отличающиеся от короткошерстных скoттиш-фoлдoв волосом средней длины. Европейское название «хaйленд-фoлд» происходит oт северных и северо-западных шотландских нагорий (Highland). В Великобритании их называют «купари» – от…

Кошки 2560 Леся Моцная

Чудо-кошка с внешностью эльфа и характером клоуна

Девон-рекс – не искусственно выведенная порода, как могут подумать многие. Это вполне естественная мутация, которая привела к появлению на свет кудрявых кошек из английского графства Девоншир. Впервые кудрявый кот был замечен в окрестностях графства в 1960 г.…

Аквариум 3533 Лариса Семикова

Рыбка с нелегкой судьбой

Странно, уж сколько аквариумных рыбок я перевидала на своем веку, уж скольких с горечью похоронила. Казалось бы, закаленная, ничем не проймешь. А все равно, нет-нет, нежданная сентиментальность вдруг заполнит душу, как ряска весенний водоем. И вот уже,…

Аквариум 2969 Василий Усатенко

Подводный мир

Мои детские ладони, сложенные пригоршней, разжались, обнажив размякшие от тепла конфеты. Их было шесть: по одной конфете за каждый день разлуки с матерью. На глаза навернулись слезы оттого, что я понял: мама опять уехала и приедет только тогда, когда конфеты…

Аквариум 5200 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 4887 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 4984 Светлана Мауэр

Волчья охота

Волки... Непостижимые и загадочные... Универсальная страшилка для детей и существо, вызывающее бессознательный ужас у взрослых. Зверь, овеянный ореолом мистики, как никакой другой на земле. Что же так впечатляет в волках? ак впечатляет в волках?

Экзотеррариум 2207 Ольга Петраускас

Анжелика

В нашем саду висел старый умывальник. Рядом стоял небольшой стол, на который мы ставили грязную и чистую посуду. Каждый раз после мытья тарелок под умывальником собиралась небольшая лужица. Её очень любили мухи и частенько проводили там время. Может, они…

Дикие животные 5199 Светлана Мауэр

Маскировка в дикой природе

Каждый человек наверняка хоть раз наблюдал, как домашняя кошка охотится на птиц. Вот она затаилась в траве. От неживого объекта ее отличает лишь возбужденно подергивающийся кончик хвоста. В таком положении кошка может находиться очень долго. Даже заметив ее,…

Экзотеррариум 103 Вадим Дудченко

Экзотический домашний питомец - мышь-малютка

Удивительно, но мышь-малютка является самым маленьким млекопитающим в мире. Особенности поведения делают ее одним из самых интересных мелких домашних питомцев.

Дикие птицы 3898 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…

Дикие птицы 4058 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…

Птицы 3252 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…

Ловчие 7010 Лилия Вишневская

История охоты с ловчими птицами на Руси

Страсть к охоте свойственна человеку с глубокой древности. И всегда рядом с человеком находились его верные помощники – собаки и ловчие птицы. Но соколиная охота – зрелище незабываемое! Грациозные птицы способны совершать без отдыха до 70 ставок, развивая при…

Статистика



Журналы

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