Многие молекулы вибрируют при возбуждении ИК-светом. Особенно это характерно для биологических молекул. То, как именно они вибрируют, т.е. их колебательные моды, характеризует различные связи, присутствующие в образце. Таким образом,
способность исследовать эти моды может использоваться для анализа всей молекулярной структуры образца, даже если в наличии имеется очень малое его количество.
Развивая эту идею, различные научные группы ранее уже показали, что
для упрощения наблюдений можно использовать металлические наночастицы, которые обеспечат резонанс в средней инфракрасной области электромагнитного спектра.
Эти наночастицы сильно взаимодействуют со светом посредством локализованных поверхностных плазмонов (коллективных колебаний электронов у поверхности металла), соответственно, они выступают в роли оптических наноантенн, позволяющих захватывать больше света нужного диапазоне. Подобные плазмонные резонаторы для ИК-диапазона могут использоваться в качестве зондов, настраивающихся на различные колебательные моды в молекулах.
Хотя подобное «усиление» поглощения играет важную роль для науки, у предложенной схемы есть один недостаток. Подобные наночастицы позволяют усиливать только отдельные колебательные моды, относящиеся к узкому диапазону частот. Это значит, что для данной резонирующей структуры можно наблюдать только несколько типов молекулярных связей. Эту проблему, очевидно, могло бы решить проектирование резонаторов, поддерживающих несколько «режимов» работы (т.е. обеспечивающих резонанс на нескольких различных частотах).
В своей последней работе группа ученых из Boston University (США) сосредоточилась именно на этой проблеме. Ученые предложили свое решение – наноконструкцию, позволяющую получать резонанс в более широком отрезке в ИК-области электромагнитного спектра. Хотя их работа была выполнена применительно к изучению молекул полимера, разработанная техника наблюдения может предоставить информацию о различных типах связей и в других молекулах.
В рамках своей работы команда создала «идеальный двухдиапазонный поглотитель» излучения, состоящий из двух нанопроволок, расположенных крест накрест над золотой пленкой, от которой их отделяет тонкий слой фтористого магния.
Данная система действует, как резонатор, который захватывает и поглощает более 90% падающего света. Нарушая симметрию креста из золотой нанопроволоки, команда получила возможность изменять резонансные характеристики устройства, т.е. выявить несколько резонансов на одной и той же структуре.
Как считают сами ученые,
предложенная технология может быть идеальной для изучения молекулярной структуры белков и других биологических молекул, таких как липиды и нуклеиновые кислоты. Свой вклад они могут дать также в изучение микроорганизмов, например, бактерий.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале ACS Nano.
