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Investigadores del centro vasco de investigación de nanociencia CIC nanoGUNE y de Neaspec GmbH (Alemania) han desarrollado un instrumento que graba espectros infrarrojos con fuente de energía térmica en una resolución cien veces superior a la de los sistemas de espectroscopia infrarroja convencionales. En el futuro, esta técnica podría utilizarse para analizar la composición química local y la estructura de materiales nanométricos en composites poliméricos, dispositivos semiconductores, minerales o tejidos biológicos.
La absorción de la radiación infrarroja es característica de la composición química y la estructura de los materiales. Por este motivo, un espectro infrarrojo puede ser considerado como la “huella dactilar” de un material. Así, la espectroscopia infrarroja se ha convertido en una importante herramienta a la hora de caracterizar e identificar materiales, y es aplicado ampliamente en diferentes ciencias y tecnologías, como por ejemplo en las ciencias de materiales y en diagnóstico médico.
Sin embargo, mediante los instrumentos ópticos convencionales, como los espectrómetros infrarrojos FTIR (Fourier Transform Infrared), la luz no puede ser concentrada a dimensiones inferiores a varios micrómetros. Esta limitación fundamental impide la obtención de mapas de espectroscopia infrarroja de una sola nanopartícula o molécula y de los instrumentos semiconductores modernos.
Escala nanométrica
Ahora, sin embargo, los investigadores del CIC nanoGUNE y el Neaspec han desarrollado un espectrómetro de infrarrojos para la obtención de imágenes en escala nanométrica con fuente de energía térmica. El sistema —cuyo nombre abreviado es nano-FTIR (ver imagen)— está basado en un microscopio de campo cercano de tipo dispersión (NeaSNOM), el cual utiliza una punta metálica afilada para escanear la superficie de la muestra. Mientras escanea la superficie, la punta es iluminada con la luz infrarroja de una fuente de energía térmica.
Como funciona como antena, la punta convierte la luz incidente en un punto infrarrojo de escala nanométrica (lo nanoenfoca) en el ápice. Mediante el análisis de la luz infrarroja dispersada con un espectrómetro especialmente diseñado para ello, los investigadores pudieron grabar el espectro infrarrojo de muestras con volúmenes ultrapequeños.
En el experimento, los investigadores consiguieron grabar las imágenes infrarrojas de un dispositivo semiconductor de Infineon Technologies AG (Munich). “Conseguimos una resolución espacial superior a los 100 nm. Esto evidencia que la radiación termal puede ser enfocada en un punto de tamaño cientos de veces menor que en la espectroscopia infrarroja convencional”, comenta Florian Huth, quien llevó a cabo los experimentos. Este investigador ha demostrado que el nano-FTIR puede ser aplicado para reconocer óxidos de sílice procesados de forma desigual, o para medir la densidad de electrones dentro de complejos dispositivos electrónicos industriales.
“Nuestra técnica permite grabar el espectro dentro del rango de espectro infrarrojos cercanos y lejanos. Se trata de una característica esencial para analizar la composición química de nanomateriales desconocidos”, explica Rainer Hillenbrand, líder del grupo de Nanoóptica del nanoGUNE.
El nano-FTIR tiene un interesante potencial de aplicaciones en diversas ciencias y tecnologías, desde la industria de los semiconductores a la nanogeoquímica y la astrofísica. “Tomando como base la espectroscopia de huella digital vibracional, podría ser utilizado para realizar los mapas a nanoescala de la composición química y las propiedades estructurales de nanosistemas orgánicos e inorgánicos, como semiconductores orgánicos, celdas solares, nanocables, cerámicas y minerales”, añade Florian Huth.
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