NANOESCALA INFRARROJA por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

Columna de la Academia publicada en el Diario La Verdad el 17 de diciembre de 2016

Ha cobrado mucha importancia la caracterización química de materiales con resolución espacial sub-micrométrica. Hoy resulta imprescindible con los nanomateriales. Las técnicas de caracterización química propias de la espectroscopía infrarroja han tenido mucho éxito en cuanto a la naturaleza y composición de materiales. Desgraciadamente, la escala espacial a la que tienen lugar muchos e importantes procesos químicos suele estar por debajo del límite de la difracción en la microscopía infrarroja convencional, que se sitúa entre 3 y 10 micras. Con la aplicación conjunta de la microscopía de fuerza atómica (MFA) y la espectroscopía en el infrarrojo (IR) se ha logrado estudiar diversos materiales relacionados con la captación o almacenamiento de energía, como las membranas de las células de combustible, los materiales empleados en la captura fotovoltaica de energía solar y los materiales poliméricos combinados que se emplean en las conducciones en la industria del petróleo y el gas. Esta combinación de MFA e IR ha permitido la caracterización de dominios espaciales no alcanzables usando la microscopía de difracción mediante transformada de Fourier convencional.

La técnica se basa en la resonancia fototérmica inducida, descubierta por Dazzi en la Universidad de Paris Sud-Orsay, usando un láser de electrones libres pulsado y sintonizable entre 900 cm^(⁻1) y 3600 cm^(⁻1). El puntero de MFA se pone en contacto con la superficie de la muestra para detectar la rápida expansión térmica del material que tiene lugar cuando absorbe la luz que le proporciona un pulso corto, de unos 10 nanosegundos, de radiación infrarroja, que se sintoniza a la frecuencia de una vibración molecular concreta. Tras la absorción, la muestra se expande térmicamente cuando la molécula excitada vibracionalmente, vuelve al estado fundamental. El puntero del microscopio de fuerza atómica detecta esta contracción y expansión y provoca una resonancia de su soporte a su frecuencia mecánica, de forma que la caída de la amplitud del soporte es proporcional a la cantidad de luz absorbida por la superficie de la muestra. La amplitud de la caída del soporte del AFM representada frente a la longitud de onda del láser produce el espectro infrarrojo. Con potencias láser IR sólo de 0.3 – 0.5 miliwatios es suficiente. La resolución espectral del láser infrarrojo es de unos 4 cm^(-1), pero la resolución espacial alcanzada con ésta técnica, que es función del espesor de la muestra, se sitúa entre 40 y 100 nanometros, según Marcott y col. Se puede utilizar fijando la frecuencia del láser IR a la absorción de algún grupo funcional y observar las variaciones en la composición de la superficie. La resolución sub-micrométrica está al alcance. ¡Todo un mundo nuevo!.