З лабораторії: ефективніше використання ефекту Рамана для вивчення крихітних частинок

Хоча комбінаційне розсіювання є дуже ефективним способом отримання певної інформації про спостережуваний об’єкт, воно також є надзвичайно слабким явищем.

Комбінаційне розсіювання названо на честь нобелівського лауреата сера Сі В. Рамана. (Експрес-архів)

Субмікронні частинки, такі як молекули, занадто малі, щоб їх можна було побачити. Вчені використовують різні методи, щоб опосередковано спостерігати за ними та вивчати їх властивості. Одним із таких методів є вивчення світлових променів, які розсіюються цими частинками.

Світло може взаємодіяти з об’єктом по-різному — воно відбивається, заломлюється, передається чи поглинається по-різному, залежно від об’єкта, з яким він взаємодіє. Загалом, світло, коли він взаємодіє з об’єктом, випадково розсіюється в усіх напрямках.

Коли об’єкт, про який йде мова, дуже малий, розміром в кілька нанометрів (мільярдну частину метра) або менше, більшість світла, що падає на нього, проходить без перешкод, не звертаючи уваги на частинку. Це пояснюється тим, що ці частинки менші за довжину світлової хвилі і, отже, не сильно взаємодіють зі світловими хвилями. Однак дуже іноді, не частіше кількох разів на мільярд, світлові хвилі дійсно взаємодіють з частинкою. Виявлення цих розсіяних світлових хвиль може дати деяку дуже важливу інформацію про частинки, з якими взаємодіяло світло.

Однією з речей, які вивчають вчені, є те, чи має розсіяне світло таку ж енергію, якою вона мала до удару про частинку, чи відбулася зміна енергетичних рівнів. Іншими словами, чи була взаємодія пружною чи непружною.

Одним із особливих видів непружного розсіювання, при якому зміна енергії світла відбувається внаслідок коливань молекули або матеріалу, що спостерігається, що призводить до наступної зміни довжини хвилі, — це раманівське розсіювання (або ефект рамана) — названий на честь фізик сер CV Раман, який відкрив його в 1920-х роках і за що отримав Нобелівську премію в 1930 році.

Хоча комбінаційне розсіювання є дуже ефективним способом отримання певної інформації про спостережуваний об’єкт, воно також є надзвичайно слабким явищем. Протягом кількох років доктор Г. В. Паван Кумар та його команда в Індійському інституті наукової освіти та досліджень (IISER), Пуна, намагаються шукати шляхи посилення ефектів комбінаційного розсіювання та пружного розсіювання, щоб явища могли легше вивчати. Вони намагалися збільшити кількість світлових хвиль, які піддаються рамановському розсіювання, а також вирівняти розсіяні хвилі в певному напрямку, щоб усі вони могли бути вловлені датчиком або детектором.

У нещодавній статті в Nano Letters доктор Паван Кумар і його команда повідомили, як вони досягли цього завдяки інноваційному використанню особливих властивостей металів у наномасштабах. Металом, який вони широко використовували, було срібло. Нано-срібний дріт у поєднанні з шаром молекул, що спостерігалися, показали дуже цікаві результати. Крім посилення сили раманівського розсіювання, срібний дріт діяв як хвилеводна антена, направляючи розсіяні хвилі під певним кутом. Помітили, що ефект ще більше посилюється, коли установку помістили на золоту наноплівку.

Щоб переконатися, що вони вивчали розсіяне світло лише від бажаної молекули, а не від срібного дроту чи золотої фольги, експериментатори брали показання розсіяного світла від кожного з окремих матеріалів, перш ніж об’єднати їх. Команда розробила та побудувала спеціальний мікроскоп, який називається мікроскопом Фур’є-плоскостного комбінаційного розсіювання, щоб виміряти посилення раманівського розсіювання, а також виявити точний напрямок, з якого виникли розсіяні світлові хвилі.

Сигнали, отримані мікроскопом, можуть дати дуже хорошу інформацію про коливальний рух молекул у нанопорожнині, їх орієнтації один відносно одного та кутовий розподіл розсіяного світла з високою точністю та точністю. Доктор Паван Кумар і його команда продовжують свої дослідження, щоб побачити, як ці експерименти можна налаштувати, щоб отримати ще кращі результати до чутливості однієї молекули.

Крім того, вони екстраполюють методи Фур’є-мікроскопії на пружне та нелінійне розсіювання світла для вивчення структури та динаміки м’якої речовини, такої як колоїди, рідкі кристали та активна речовина, яка має концептуальні зв’язки з біологічними клітинами, мембранами та тканинами.

Поділіться Зі Своїми Друзями: