Materials Today muestra en su portada una imagen de un sustrato SERS formado por deposición de nanopartículas de oro coloidal sobre silicio. Los investigadores del CiQUS describen la forma de mejorar estos sustratos por medio de patrones regulares fabricados con fotopolímeros como materiales de soporte, en lugar de silicio, y Al como metal activo en vez de los convencionales Au o Ag.
La prestigiosa revista Materials Today ha llevado a su portada un trabajo realizado por un equipo de investigadores del CiQUS, que ha conseguido desarrollar un nuevo método para mejorar los problemas con los que cuenta en la actualidad una potente técnica de análisis químico ultra-sensible conocida como Espectroscopia Raman Amplificada por Superficie (SERS, por sus siglas en inglés). Los resultados de esta investigación permitirán reducir significativamente los costes de producción, así como corregir el problema de reproductibilidad de resultados que hasta ahora se asociaba a esta técnica.
Por otra parte, los resultados experimentales con los nuevos sustratos de aluminio han demostrado que el funcionamiento de estos no sólo es comparable, sino en muchas ocasiones superior, al obtenido por medio de los caros sustratos comerciales disponibles actualmente en el mercado. Al contrario que los fabricados en metales nobles (oro, plata…. etc), este nuevo tipo de sustratos son baratos y fáciles de usar, ya que al estar hechos con polímeros y aluminio favorecen que el sistema pueda emplearse de forma cotidiana en cualquier laboratorio.
El SERS es una técnica de análisis muy precisa, que puede llegar incluso a detectar e identificar moléculas individuales, y ayuda a esclarecer la estructura de moléculas desconocidas. Una parte fundamental en esta técnica es el sustrato -la pequeña superficie sobre la cual se realiza el experimento-, ya que cuando tiene en su superficie partículas de diversos tamaños y formas, o simplemente desordenadas, puede haber problemas de reproductibilidad (es decir, de repetir los resultados del análisis). Para superar estas dificultades, los investigadores del CiQUS han planteado utilizar un sustrato que presenta un patrón completamente regular en la superficie, fabricado, además, sin usar silicio ni disolventes, sin producir residuos y con un bajo consumo energético, ya que no necesita calor o presión.
Para lograrlo, los investigadores depositaron un polímero conocido como «teflón líquido» sobre un sustrato con la superficie-patrón que se quería copiar; gracias a su baja viscosidad, el polímero se adaptó perfectamente a todas las formas presentes en la superficie, con una resolución de hasta 10nm. Finalmente, tras aplicar una luz ultravioleta durante unos segundos la sustancia polimerizó, dando lugar a una lámina endurecida lista para ser retirada; y que sirve, a su vez, de «molde» sobre el que depositar de modo muy barato y rápido una fina capa de aluminio, que reproduce perfectamente la superficie del original, mediante técnicas estándar de Deposición Física de Vapor o PVD.
El trabajo, que ha sido desarrollado íntegramente en el CiQUS por el estudiante de doctorado Manuel Gómez bajo la dirección del profesor Massimo Lazzari y la colaboración del CACTUS (donde se obtuvieron las microfotografías y los espectros), ha demostrado por primera vez que no sólo es posible utilizar aluminio para fabricar sustratos SERS, sino que este metal mejora los resultados al realizar los análisis químicos. Los nuevos sustratos, fabricados con polímeros y aluminio, facilitarán el acceso de esta técnica a un mayor número de laboratorios en todo el mundo.
Nota técnica
La espectroscopia Raman proporciona normalmente espectros de muy baja intensidad dado que pocos fotones incidentes llegan a excitar moléculas de la sustancia a analizar. La técnica SERS amplifica la señal Raman en varios órdenes de magnitud. La amplificación de señal en SERS se debe principalmente a la interacción del campo electromagnético de la luz con los metales, lo que produce inmensas concentraciones locales de campo de la radiación laser empleada, por medio de excitaciones conocidas como resonancias de plasmón o plasmones. Para sacar provecho de estos incrementos locales de campo, las moléculas a detectar deben estar unidas, adsorbidas o en cualquier caso, estar muy próximas a la superficie del metal (como mucho a unos 10nm, normalmente).
En este trabajo los investigadores proponen utilizar un patrón completamente regular, una estructura fotónica 2.5D. Este tipo de estructuras se fabrican normalmente en silicio empleando procesos de fabricación caros y contaminantes, pero en el proceso de fabricación propuesto aquí, se pasa de un sistema de fabricación top-down a uno bottom-up, donde un fotopolímero (un derivado de un perfluoropoliéter) se emplea para fabricar los patrones regulares micro y nano por litografía de impresión con luz UV (UV-NIL), una técnica respetuosa con el medio ya que no produce residuos y el consumo energético es muy bajo. La técnica es muy rápida y en sólo unos segundos podemos obtener los sustratos estructurados por entrecruzamiento de las cadenas de polímero, siendo además capaz de reproducir estructuras por debajo de los 10nm.
La selección del aluminio como metal activo es otra novedad de este trabajo, ya que este metal ha sido tradicionalmente descartado para SERS debido a su rápida oxidación y poco apropiada longitud de onda de plasmón. La evidencia experimental y los cálculos teóricos muestran que lo que se consideraba un problema es más bien una ventaja, ya que la capa de pasivación de Al2O3 es tan fina que todavía permite la propagación del plasmón y es tan dura e impermeable que el proceso de oxidación se detiene tan pronto como se forma la capa de óxido. Este fenómeno de pasivación explicaría la estabilidad temporal y frente al medio de estos sustratos.
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