Lorsqu'un faible faisceau lumineux de couleur verte éclaire la molécule seule, la molécule est visible mais manque de détails structurels (en raison de la limite de diffraction optique). Cependant, lorsqu'il est placé sous une pointe, une lumière décalée vers le rouge beaucoup plus intense et localisée, produit par le champ plasmonique, agit sur la molécule. La combinaison des deux faisceaux projette les empreintes vibratoires de la molécule dans le faisceau émetteur, résoudre chimiquement la structure interne de la molécule avec une résolution inférieure au nm. Crédit :Dong Xie et Rongting Zhou.
(Phys.org) —Une équipe de chercheurs travaillant à l'Université chinoise des sciences et technologies a réussi à développer une technique de cartographie chimique capable de révéler les atomes constitutifs d'une seule molécule. Dans leur article publié dans la revue La nature , l'équipe décrit comment ils ont combiné la spectroscopie Raman avec un microscope à effet tunnel (STM) pour permettre la cartographie chimique d'une molécule à une résolution inférieure à 1 nm.
La spectroscopie Raman est l'endroit où les chimistes font briller un laser sur un petit groupe de molécules, puis mesurent la lumière lorsqu'elle rebondit. Les photons de la source lumineuse font vibrer les molécules et interagir avec les liaisons qui maintiennent les molécules ensemble, provoquant un décalage de leur fréquence - la diffusion qui en résulte est unique pour chaque type de molécule et permet ainsi à la méthode d'être utilisée comme un moyens d'identifier les types de molécules.
En haut à gauche :carte expérimentale d'une molécule de porphyrine isolée pour une fréquence de vibration donnée révélant le motif à quatre lobes. En bas à gauche :calcul théorique de la même vibration moléculaire montrant son empreinte. A droite :structure moléculaire de la porphyrine utilisée dans l'expérience. Crédit :Guoyan Wang et Yan Liang.
Un STM est un appareil qui permet de créer des images de matériaux au niveau atomique. L'une de ses caractéristiques uniques est la toute petite pointe métallique utilisée au point de numérisation. Dans ce nouvel effort, les chercheurs ont combiné la spectroscopie Raman avec la STM pour permettre des niveaux sans précédent de cartographie moléculaire.
Des recherches antérieures ont montré que lorsqu'une pointe STM est placée à quelques nanomètres de certains métaux, l'excitation plasmonique se produit qui, lorsqu'elle est combinée avec la diffusion Raman, peut permettre de cartographier les molécules à moins de 10 nm. Dans cette nouvelle recherche, l'équipe a découvert que si la fréquence de l'excitation plasmonique est ajustée pour correspondre aux vibrations moléculaires causées par les photons de la lumière laser, le signal Raman est fortement augmenté, résultant en une capacité à cartographier la molécule étudiée à moins de 1 nm.
En raison de la limite de diffraction optique, une seule molécule de porphyrine ne peut pas être résolue par imagerie optique conventionnelle avec un laser vert seul. Cependant, lorsque la molécule est positionnée sous une pointe, une lumière décalée vers le rouge beaucoup plus intense et localisée, produit par le champ plasmonique, agit sur la molécule. La combinaison des deux faisceaux projette les empreintes vibratoires de la molécule dans le faisceau émetteur, résoudre chimiquement la structure interne de la molécule avec une résolution inférieure au nm.
Les chercheurs notent que leur technique en est encore aux tout premiers stades de développement - jusqu'à présent, ils n'ont pu l'utiliser que sur une molécule - une porphyrine en forme d'anneau. Le processus qu'ils notent, est difficile et peut prendre des semaines ou des mois, ce qui rend son application peu pratique à ce stade pour les efforts de recherche généraux. De plus, il ne fonctionne que lorsque la molécule étudiée est maintenue sous vide et dans un environnement à -200°C. Si la technique peut être affinée cependant, il permettra aux futurs chimistes d'identifier les atomes dans les molécules individuelles. Un tel outil pourrait ouvrir la porte à de nouvelles façons d'étudier les molécules à l'échelle nanométrique ainsi que les liaisons qui les unissent.
À gauche :diagramme schématique de la diffusion Raman améliorée par pointe contrôlée par effet tunnel (TERS) dans une configuration d'éclairage latéral de type confocal, dans laquelle Vb est le biais de l'échantillon et It est le courant tunnel. Une lumière laser est focalisée dans la nanocavité définie par la pointe et le substrat du microscope à effet tunnel (STM). Le fort champ plasmonique local généré par le laser incident provoque l'amélioration de la diffusion Raman à partir de la molécule unique sous la pointe. En haut à droite :spectre TERS acquis sur le lobe; En bas à droite :carte TERS pour le mode vibrationnel à environ 817 cm-1 et profil de ligne correspondant. Crédit :Zhenchao Dong
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