Onderzoekers hebben een benadering ontwikkeld om de oriëntatie van moleculen en chemische bindingen te identificeren in kristallijne organisch-anorganische hybride dunne films die op substraten zijn afgezet met behulp van Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FT-IR) en gepolariseerd infraroodlicht met een 3D-geprinte verzwakte totale reflectie (ATR) eenheid. Deze goedkope methode met laboratoriumapparatuur bereikt snel het kristalstructuurmodel van zelfs extreem dunne films van minder dan 10 nm.

"Elk probleem kan worden opgelost met een beetje vindingrijkheid."

Hoewel zij misschien niet de bedenkers van dit citaat zijn, recent werk van onderzoekers van de Osaka Prefecture University om de moleculaire oriëntatie van hybride dunnefilmmateriaal te begrijpen, is een concreet voorbeeld van de centrale boodschap ervan. "We wilden dat iedereen toegang had tot deze kennis, " stelt onderzoeksleider, Professor Masahide Takahashi van de OPU Graduate School of Engineering. Met behulp van laboratoriumapparatuur met 3D-afdrukbare optische opstellingen, zijn onderzoeksgroep heeft een eenvoudig, veelzijdig, maar zeer gevoelige benadering om de oriëntatie van moleculen en chemische bindingen te identificeren in kristallijne organisch-anorganische hybride dunne film afgezet op een substraat zo klein als 10 nm, "zelfs film met drie moleculaire lagen, ", zegt de professor. Hun werk werd op 18 juni gepubliceerd in Chemische Wetenschappen .

De apparatuur die ze gebruikten was een spectrometer die gebruikmaakt van een techniek genaamd Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FT-IR) en gepolariseerd infraroodlicht met een oorspronkelijk ontworpen 3D-geprinte verzwakte totale reflectie (ATR) -eenheid. FT-IR-spectrometers worden in de meeste laboratoria aangetroffen, deels omdat ze laten zien welke moleculen in een monster worden gevonden, maar ze hebben de driedimensionale oriëntatie van deze moleculen ten opzichte van de substraten niet kunnen onthullen. Dit is belangrijk voor de productie van dunnefilmapparaten die nanometers groot kunnen zijn, omdat een onvoorspelbare verschuiving in de moleculaire oriëntatie op dat niveau ervoor kan zorgen dat de hele structuur van het apparaat kapot gaat.

conventioneel, in FT-IR-spectroscopie in transmissieconfiguratie, infrarood licht dringt als een spies door vanaf de bovenkant van het monster. Dit smalle punt van binnenkomst en uitgang laat het monster niet voldoende interactie met het licht toe om de moleculen in hun chemisch gebonden toestand te exciteren. "We realiseerden ons dat door het heroriënteren van het monster, we zouden gepolariseerd licht rechtstreeks in het substraat van de dunne film kunnen introduceren, het genereren van een verdwijnende golf die het monster verwarmt, bepaalde moleculen opwinden en hun oriëntatie verraden, " zegt Bettina Baumgartner, een gastonderzoeker in het team.

"We hadden gewoon een nieuw soort voorbeeldinterface nodig, ", voegt universitair hoofddocent Kenji Okada toe. Hier ontwierp het team een ​​gloednieuwe optische ATR-opstelling die gepolariseerd infrarood licht door het hele monstersubstraat kaatst, waardoor het team de trillingen kan observeren van alle moleculen die zijn uitgelijnd met de elektrische veldcomponent van de infrarood licht, hun oriëntatie onthullen. Elk lab met een 3D-printer kan deze optische ATR-opstellingen maken.

Deze methode, die het team gebruikte om de structurele informatie te verkrijgen van een dunne film met een metaal-organisch raamwerk met een mate van kristaloriëntatie vergelijkbaar met structurele röntgenanalyse, zal naar verwachting een bruikbare methode zijn in veel situaties in de materiaalkunde, zoals waar oriëntatiecontrole is gekoppeld aan het controleren van fysieke eigenschappen, de functionele verbetering van poreuze materialen gebruikt voor CO ₂ vastlegging, en de ontwikkeling van nieuwe heterogene katalysatoren.