Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben een ultragevoelige techniek ontwikkeld waarmee ze de razendsnelle bewegingen van moleculen kunnen bestuderen in materialen die slechts een paar moleculen dik zijn. Nu het mogelijk is dit soort bewegingen te bekijken, kunnen fysici het verloop van tal van chemische en fysische processen doorgronden. Te denken valt aan de chemische reacties die plaatsvinden aan het oppervlak van een katalysator of van een celmembraan. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 11 juni in Physical Review Letters.
Pomp-probe-spectroscopie
Ten grondslag aan het onderzoek ligt een gangbare techniek voor het bestuderen van ultrasnelle processen: pomp-probe-spectroscopie. Met twee zeer korte pulsen van infrarood licht (van slechts 100 x 10-15 seconde) beschijnen de onderzoekers het te bestuderen materiaal. De eerste puls (de pomp-puls) maakt de moleculen in de materiaallaag aan het trillen. Iets later volgt de tweede lichtpuls (de probe-puls), waarmee de onderzoekers volgen hoe de energie van de trilling zich door het materiaal verspreidt. Hoewel deze techniek een zeer gedetailleerd beeld geeft van moleculaire processen, zijn de signalen heel zwak. Daarom moeten de onderzoekers altijd aan grote aantallen moleculen tegelijk meten.
Nanoantennes van goud
Door slim gebruik te maken van minuscule antennes konden de onderzoekers de signalen van de moleculen versterken met bijna een factor honderdduizend. Ze lieten zich bij deze doorbraak inspireren door de manier waarop een radioantenne werkt: je kunt het zwakke signaal van je favoriete radiozender uit de lucht pikken door in te stemmen op precies de juiste frequentie.
De antennes bestonden in dit geval uit gouden nanostructuren die op een glasplaatje zitten. De onderzoekers bedekten deze constructie met een laag polymeermoleculen. De antennes op het glasplaatje zijn zo ontworpen dat ze het signaal versterken van een hele specifieke frequentie: de frequentie die overeenkomt met de trillingen van de moleculen in de polymeerlaag. Hierdoor wordt het mogelijk om de zeer zwakke signalen van de moleculen in het dunne laagje materiaal te detecteren.
Referentie
Ultrasensitive Ultrafast Vibrational Spectroscopy Employing the Near Field of Gold Nanoantennas, O. Selig, R. Siffels & Y.L.A. Rezus, Physical Review Letters, DOI 10.1103/PhysRevLett.114.233004
Afbeelding
Gouden nanoantennes op een glasplaatje, met daarop een laag polymeermoleculen van slechts een paar nanometers dik. De antennes functioneren goed voor infrarood licht dat de polymeermoleculen aan het trillen maakt. De moleculen bewegen op de tijdschaal van enkele picoseconden (1 picoseconde is een miljoenste van een miljoenste van een seconde).
