Cómo vibran los átomos en la escala de los angstroms
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Sondear la vibración de los átomos proporciona información detallada sobre la estructura local y los enlaces que definen las propiedades de los materiales. La espectroscopia Raman mejorada con puntas (TERS) ofrece una resolución extremadamente alta para sondear dichas vibraciones. Krystof Brezina y Mariana Rossi, del MPI de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD), y Yair Litman, del MPI de Investigación de Polímeros (MPIP), han demostrado que las simulaciones realistas a partir de los primeros principios son esenciales para interpretar las imágenes TERS de moléculas y materiales en superficies. Su método revela cómo las interacciones con sustratos metálicos modifican las imágenes vibracionales a nanoescala. El trabajo se ha publicado ahora en ACS Nano.
En la nanoescala, todos los átomos vibran. Estas vibraciones definen la disipación del calor, las reacciones químicas y las propiedades de los materiales. Las distintas formas en que pueden vibrar los átomos vienen determinadas por el enlace químico local y su entorno, lo que proporciona una sonda inestimable para conocer las propiedades y la composición de la materia. En el laboratorio, pueden estudiarse indirectamente mediante espectroscopias como la dispersión Raman. Las mediciones convencionales promedian muchos átomos, por lo que su resolución espacial es limitada. La espectroscopia Raman mejorada con puntas supera esta limitación combinando la luz láser con una punta metálica afilada que concentra el campo electromagnético en un volumen minúsculo, lo que permite una resolución de hasta la escala Ångström (10-10 m). Esto permite obtener imágenes del movimiento vibratorio incluso de moléculas individuales o defectos en superficies metálicas. Sin embargo, la interpretación de imágenes tan detalladas requiere modelos teóricos fiables que puedan relacionar las señales medidas con el movimiento a escala atómica.
Los experimentadores tienen dificultades para desentrañar los distintos factores ambientales que influyen en las señales TERS, lo que dificulta la comprensión de las firmas del movimiento atómico individual. Aquí es donde las simulaciones vienen al rescate. Este nuevo estudio propone un método computacional que permite una simulación eficiente de las señales TERS de sistemas de tamaño realista que contienen cientos de átomos, basándose únicamente en las leyes más fundamentales de la mecánica cuántica. El estudio demuestra además que las simplificaciones comunes realizadas anteriormente en el modelado teórico, como tratar las moléculas como sistemas aislados o aproximar las superficies utilizando pequeños clusters, pueden resultar problemáticas.
Las simulaciones demuestran sin ambigüedad que el TERS es exquisitamente sensible a la simetría de los entornos locales y permite, por ejemplo, la identificación de defectos locales en materiales 2D. También demuestran que el tramado electrónico de la superficie metálica altera drásticamente las imágenes de las vibraciones moleculares que implican un movimiento perpendicular a la superficie de soporte, mientras que las vibraciones confinadas al plano molecular se ven mucho menos afectadas.
"Las imágenes TERS suelen interpretarse como mapas directos del movimiento atómico", explica Mariana Rossi. "Nuestros resultados demuestran que la respuesta electrónica de la superficie puede dominar la señal y cambiar fundamentalmente lo que significan estas imágenes". Krystof Brezina añade: "Una nueva idea física obtenida a partir de nuestro trabajo es que las interacciones espacialmente no locales entre átomos pueden influir fuertemente en las señales TERS en un punto concreto del espacio, lo que significa que las regiones más brillantes no corresponden necesariamente a los mayores desplazamientos atómicos"
Al permitir simulaciones realistas y predictivas, este avance mejora la calidad de las imágenes TERS como sonda a nanoescala. El modelado preciso de TERS con tales métodos será decisivo en varias áreas emergentes de investigación en ciencia de superficies, como la secuenciación del genoma, la caracterización de materiales, el diseño de dispositivos a escala molecular y la monitorización operandide reacciones catalizadas por superficies para la generación de energía verde.
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