Eskala nanometrikoko detektagailu molekularra: Txip bidezko gailu berri batek argi-izpi exotikoak erabiltzen ditu 2D material batean molekulak detektatzeko

Molekulek nolabaiteko hatz-markak dituzte, hau da, elkarrengandik bereizteko erabil daitezkeen berezko ezaugarriak. Molekulak argi egokiarekin argitzen direnean, mota bakoitzak maiztasun (dagokion erresonantzia-maiztasuna, zeina maiztasun infragorrietan gertatu ohi baita) eta intentsitate berezi batekin bibratzen du. Giza hatz-markekin egin daitekeenaren antzera, informazio hori ustiatu daiteke molekula- edo gas-mota desberdinak bereizteko. Horrek arrisku potentzialetatik ere babes gaitzake, kasu honetan, gaizkileak identifikatu beharrean, substantzia edo gas pozoitsu eta arriskutsuak identifikatzeko aukera baitugu.

Ohiko metodo bat hatz-marken espektroskopia infragorria da, zeinak islapeneko edo transmisioko espektro infragorriak erabiltzen baititu molekula desberdinak identifikatzeko. Hala ere, infragorrien uhin-luzerarekin alderatuta, txikia da molekula organikoen tamaina, eta horrek sakabanatze-seinalea ahula izatea eragiten du, eta horregatik zaila da material-kantitate txikiak detektatzea. Azken urteotan, muga horri aurre egiteko gainazalean hobetutako xurgapen espektroskopia infragorria (SEIRA) erabili da. SEIRA espektroskopiak azalera metaliko zimurtsuek edo nanoegitura metalikoek ematen duten eremu hurbil infragorriaren hobekuntza baliatzen du bibrazio-seinale molekularrak anplifikatzeko. SEIRA espektroskopiaren abantaila nagusia material kantitate oso txikiak neurtzeko eta aztertzeko gaitasuna da.

Berriki, polaritoi fononikoak —sare atomikoko bibrazioak dituzten uhin elektromagnetikoen eszitazio akoplatuak—, bereziki boro hexagonaleko nitruro geruza finetako (h-BN) polaritoi fononiko hiperbolikoak, etorkizun handiko hautagai bihurtu dira SEIRA espektroskopiaren sentikortasuna areagotzeko. “Aurretik frogatu genuen polaritoi fononikoak lodiera nanometrikoko geruza molekularren SEIRA espektroskopiarako eta gasak hautemateko erabil zitezkeela, haien bizi-iraupen luzeari eta eremu ultra-altuko konfinamenduari esker”, dio CIC nanoGUNEko Rainer Hillenbrand irakasleak.
Hala ere, SEIRA espektroskopiak urrutiko eremuko teknika izaten jarraitzen du, eta tamaina handiko ekipoak behar ditu, hala nola argi-iturriak, SEIRA substratuak eta, normalean, nitrogeno bidez hoztutako infragorri-detektagailuak. Tresna handiak behar izate horrek mugatu egiten du miniaturizaziorako eta txip bidezko aplikazioetarako ahalmena. Aldi berean, "giro-tenperaturan funtzionatzen duten infragorri-detektagailuak ikertzen aritu gara, grafenoan oinarritutakoak, eta frogatu dugu polaritoi fononikoak elektrikoki detektatu daitezkeela eta detektagailuekiko sentsibilitatea areagotu dezaketela", gehitu du ICFOko Frank Koppens irakasleak.

Bi aurrerabide horiek konbinatuz, ikertzaile talde batek arrakastaz frogatu du bibrazio molekularren lehenengo txip bidezko SEIRA detekzio fononikoa. Emaitza hori posible izan da Nanoguneko eta ICFOko ikertzaileen ahalegin esperimental bateratuari esker, Donostia International Physics Centerreko Alexey Nikitin doktorearen eta Aragoiko Nanozientzia eta Materialen Institutuko (CSIC- Universidad de Zaragoza) Luis Martín-Moreno irakaslearen taldeen laguntza teorikoarekin batera. Ikertzaileek HPhPs ultrakonfinatuak erabili zituzten lodiera nanometrikoko geruza molekularretan hatz-marka molekularrak hautemateko grafenoan oinarritutako detektagailu baten fotokorronteetan zuzenean, ohiko tamaina handiko IR detektagailuen beharra ezabatuta.
“Ikuspegi honen alderdirik zirraragarrienetako bat da grafenoan oinarritutako detektagailu horrek miniaturizaziorako bidea irekitzen duela”, adierazi du ICFOko ikertzaile Sebastián Castilla doktoreak. Eta honela jarraitu du: “Detektagailu hau kanal mikrofluidikoekin integratuz gero, benetako ‘txip-laborategi’ bat sor genezake, gai izango litzatekeena molekula espezifikoak identifikatzeko likido-lagin txikietan, eta horrek diagnostiko medikoak egiteko eta ingurumena zaintzeko bidea erraztuko luke”.
Epe luzeagora, nanoGUNEko ikertzaile eta ikerketaren egile nagusi Andrei Bylinkin doktorearen ustez, “giro-tenperaturan funtzionatzen duten txipeko infragorri-detektagailuek identifikazio molekular azkarra ahalbidetu lezakete, haiek telefono adimendunetan edo gailu elektroniko eramangarrietan integratuta”. Horretaz gain, sinetsita dago horrek euskarri bat eskainiko liokeela giro tenperaturako espektroskopia infragorri sentikor eta konpaktuari.