Vedere come vibrano gli atomi su scala angstrom
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L'analisi delle vibrazioni degli atomi fornisce informazioni dettagliate sulla struttura locale e sui legami che definiscono le proprietà dei materiali. La spettroscopia Raman potenziata dalla punta (TERS) offre una risoluzione estremamente elevata per sondare tali vibrazioni. Krystof Brezina e Mariana Rossi del MPI per la Struttura e la Dinamica della Materia (MPSD) e Yair Litman del MPI per la Ricerca sui Polimeri (MPIP) hanno dimostrato che simulazioni realistiche ai principi primi sono essenziali per interpretare le immagini TERS di molecole e materiali sulle superfici. Il loro approccio rivela come le interazioni con i substrati metallici rimodellino le immagini vibrazionali su scala nanometrica. Il lavoro è stato pubblicato su ACS Nano.
Su scala nanometrica tutti gli atomi vibrano. Queste vibrazioni definiscono la dissipazione del calore, le reazioni chimiche e le proprietà dei materiali. I diversi modi in cui gli atomi possono vibrare sono determinati dal legame chimico locale e dall'ambiente circostante, fornendo così una sonda inestimabile sulle proprietà e sulla composizione della materia. In laboratorio, possono essere studiati indirettamente utilizzando spettroscopie come la diffusione Raman. Le misurazioni convenzionali fanno una media su molti atomi e sono quindi limitate in termini di risoluzione spaziale. La spettroscopia Raman potenziata dalla punta supera questa limitazione combinando la luce laser con una punta metallica affilata che concentra il campo elettromagnetico in un volume minuscolo, consentendo una risoluzione fino alla scala degli Ångström (10-10 m). Ciò rende possibile l'immagine del movimento vibrazionale fino alle singole molecole o ai difetti delle superfici metalliche. Tuttavia, l'interpretazione di immagini così dettagliate richiede modelli teorici affidabili in grado di collegare i segnali misurati al movimento su scala atomica.
Gli sperimentatori faticano a distinguere i diversi fattori ambientali che influenzano i segnali TERS, rendendo più difficile la comprensione delle firme del movimento atomico individuale. È qui che le simulazioni vengono in aiuto. Questo nuovo studio propone un metodo computazionale che permette di simulare in modo efficiente i segnali TERS di sistemi di dimensioni realistiche contenenti centinaia di atomi, basandosi solo sulle leggi fondamentali della meccanica quantistica. Lo studio dimostra inoltre che le semplificazioni comuni fatte in precedenza nella modellazione teorica, come trattare le molecole come sistemi isolati o approssimare le superfici usando piccoli cluster, possono essere problematiche.
Le simulazioni dimostrano inequivocabilmente che la TERS è squisitamente sensibile alla simmetria degli ambienti locali e permette, ad esempio, di identificare i difetti locali nei materiali 2D. Dimostrano inoltre che la schermatura elettronica della superficie metallica altera drasticamente le immagini delle vibrazioni molecolari che comportano un movimento perpendicolare alla superficie di supporto, mentre le vibrazioni confinate al piano molecolare sono molto meno influenzate.
"Le immagini TERS sono spesso interpretate come mappe dirette del movimento atomico", spiega Mariana Rossi. "I nostri risultati mostrano che la risposta elettronica della superficie può dominare il segnale e cambiare radicalmente il significato di queste immagini". Krystof Brezina aggiunge: "Una nuova intuizione fisica ottenuta dal nostro lavoro è che le interazioni spaziali non locali tra gli atomi possono influenzare fortemente i segnali TERS in un particolare punto dello spazio, il che significa che le regioni più luminose non corrispondono necessariamente ai maggiori spostamenti atomici".
Consentendo simulazioni realistiche e predittive, questo progresso migliora la qualità delle immagini TERS come sonda su scala nanometrica. La modellazione accurata della TERS con tali metodi sarà fondamentale in varie aree di ricerca emergenti nella scienza delle superfici, tra cui il sequenziamento del genoma, la caratterizzazione dei materiali, la progettazione di dispositivi su scala molecolare e il monitoraggio operativodelle reazioni catalizzate dalla superficie per la generazione di energia verde.
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