Dal laboratorio: usare l'effetto Raman in modo più efficace per studiare le minuscole particelle

Sebbene Raman Scattering sia un modo molto efficace per ottenere alcune informazioni sull'oggetto osservato, è anche un fenomeno estremamente debole.

Il Raman Scattering prende il nome dal premio Nobel Sir C V Raman. (Archivio espresso)

Le particelle submicroniche, come le molecole, sono troppo piccole per essere viste. Gli scienziati usano metodi diversi per osservarli indirettamente e studiarne le proprietà. Uno di questi metodi è studiare i raggi luminosi che vengono diffusi da queste particelle.

La luce può interagire con un oggetto in modi diversi: viene riflessa, rifratta, trasmessa o assorbita in diverse misure, a seconda dell'oggetto con cui interagisce. In generale, la luce, quando interagisce con un oggetto, viene dispersa casualmente in tutte le direzioni.

Quando l'oggetto in questione è molto piccolo, della scala di pochi nanometri (un miliardesimo di metro) o meno, la maggior parte della luce incidente su di esso scorre indisturbata, senza prendere nota della particella. Questo perché queste particelle sono più piccole della lunghezza d'onda della luce e, quindi, non interagiscono fortemente con le onde luminose. Tuttavia, molto occasionalmente, non più di poche volte su un miliardo, le onde luminose interagiscono con la particella. Il rilevamento di queste onde luminose sparse può fornire alcune informazioni molto importanti sulla particella con cui la luce ha interagito.

Una delle cose che gli scienziati studiano è se la luce diffusa ha la stessa energia che aveva prima di colpire la particella, o se c'è stato un cambiamento nei livelli di energia. In altre parole, se l'interazione fosse elastica o anelastica.

Un particolare tipo di scattering anelastico, in cui si effettua un cambiamento nell'energia della luce a causa delle vibrazioni della molecola o del materiale sotto osservazione, portando ad un conseguente cambiamento di lunghezza d'onda, è Raman Scattering (o Raman Effect) - dal nome il fisico Sir CV Raman che lo scoprì negli anni '20 e per il quale vinse il premio Nobel nel 1930.

Sebbene Raman Scattering sia un modo molto efficace per ottenere alcune informazioni sull'oggetto osservato, è anche un fenomeno estremamente debole. Da diversi anni, il dottor GV Pavan Kumar e il suo team presso l'Indian Institute of Science Education and Research (IISER), Pune, hanno cercato modi per migliorare gli effetti sia della diffusione Raman che della diffusione elastica, in modo che i fenomeni possano essere studiato più facilmente. Hanno cercato di aumentare il numero di onde luminose che subiscono Raman Scattering e anche di allineare le onde disperse in una particolare direzione in modo che tutte possano essere rilevate da un sensore o rilevatore.

In un recente articolo su Nano Letters, il dott. Pavan Kumar e il suo team hanno riportato come hanno raggiunto questo obiettivo attraverso l'uso innovativo di proprietà speciali dei metalli su scala nanometrica. Il metallo che usavano ampiamente era l'argento. Un nano filo d'argento accoppiato allo strato di molecole sotto osservazione ha mostrato risultati molto interessanti. Oltre ad aumentare la forza di Raman Scattering, il filo d'argento ha agito come un'antenna guida d'onda, dirigendo le onde disperse ad un particolare angolo. L'effetto si è ulteriormente rafforzato quando l'allestimento è stato posizionato su una pellicola nano d'oro.

Per assicurarsi che stessero studiando la luce diffusa solo dalla molecola desiderata e non dal filo d'argento o dalla lamina d'oro, gli sperimentatori hanno preso letture della luce diffusa da ciascuno dei singoli materiali prima di combinarli. Il team ha progettato e costruito un microscopio speciale, chiamato microscopio Fourier Plane Raman Scattering, per misurare il miglioramento dello scattering Raman, nonché per rilevare la direzione esatta da cui sono emerse le onde luminose sparse.

I segnali ricevuti dal microscopio possono fornire ottime informazioni sul movimento vibrazionale delle molecole in nanocavità, sui loro orientamenti l'uno rispetto all'altro e sulla distribuzione angolare della luce diffusa con elevata accuratezza e precisione. Il dottor Pavan Kumar e il suo team stanno continuando i loro studi per vedere come questi esperimenti possono essere modificati per ottenere risultati ancora migliori fino alla sensibilità della singola molecola.

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Inoltre, stanno estrapolando i metodi della microscopia di Fourier alla diffusione della luce elastica e non lineare per studiare la struttura e la dinamica della materia soffice come colloidi, cristalli liquidi e materia attiva, che ha connessioni concettuali a cellule biologiche, membrane e tessuti.

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