Forskare har etablerat ett tillvägagångssätt för att identifiera orienteringen av molekyler och kemiska bindningar i tunna kristallina organisk-oorganiska hybridfilmer avsatta på substrat med hjälp av Fourier-transform infraröd spektroskopi (FT-IR) och polariserat infrarött ljus med en 3D-printad försvagad total reflektans (ATR) enhet. Denna billiga metod med laboratorieutrustning når snabbt kristallstrukturmodellen för även extremt tunna filmer på mindre än 10 nm.

"Alla problem kan lösas med lite uppfinningsrikedom."

Även om de kanske inte är upphovsmännen till detta citat, nyligen utförda arbeten från forskare vid Osaka Prefecture University för att förstå den molekylära orienteringen av hybridt tunnfilmsmaterial är ett konkret exempel på dess centrala budskap. "Vi ville att alla skulle ha tillgång till denna kunskap, säger forskningsledaren, Professor Masahide Takahashi från OPU Graduate School of Engineering. Använda laboratorieutrustning med 3D-utskrivbara optiska inställningar, hans forskargrupp har etablerat en enkel, mångsidig, ändå mycket känsligt tillvägagångssätt för att identifiera orienteringen av molekyler och kemiska bindningar i kristallin organisk-oorganisk hybrid tunnfilm avsatt på ett substrat så litet som 10 nm, "jämn film med tre molekylära lager, " säger professorn. Deras arbete publicerades den 18 juni i Kemivetenskap .

Utrustningen de använde var en spektrometer som använder en teknik som kallas Fourier transform infraröd spektroskopi (FT-IR) och polariserat infrarött ljus med en ursprungligen designad 3D-utskriven enhet för attenuerad total reflektans (ATR). FT-IR-spektrometrar finns delvis i de flesta laboratorier eftersom de visar vilka molekyler som finns i ett prov-men de har inte kunnat avslöja den tredimensionella orienteringen av dessa molekyler i förhållande till substraten. Detta är viktigt för tillverkningen av tunnfilmsenheter som kan vara nanometer stora, eftersom en oförutsedd förskjutning i molekylär orientering på den nivån kan göra att hela enhetens struktur går sönder.

Konventionellt, i FT-IR-spektroskopi i transmissionskonfiguration, infrarött ljus penetrerar från toppen av provet som ett spett. Denna smala punkt för ingång och utgång tillåter inte provet tillräckligt med interaktion med ljuset för att excitera molekylerna i deras kemiskt bundna tillstånd. "Vi insåg att genom att omorientera provet, vi kan införa polariserat ljus direkt i substratet av den tunna filmen, genererar en evanescent våg som värmer upp provet, spännande vissa molekyler och förråder deras orientering, " säger Bettina Baumgartner, en gästforskare i teamet.

"Vi behövde bara en ny typ av exempelgränssnitt, ", tillägger docent Kenji Okada. Det var här teamet designade en helt ny optisk ATR-uppställning som studsar polariserat infrarött ljus genom hela provsubstratet, vilket gör det möjligt för teamet att observera vibrationerna hos alla molekyler i linje med den elektriska fältkomponenten i infrarött ljus, avslöjar sin orientering. Alla labb med en 3D-skrivare kan göra dessa ATR optiska inställningar.

Den här metoden, som laget använde för att erhålla den strukturella informationen om metall-organisk ramfilmstunn film med en grad av kristallorientering jämförbar med röntgenstrukturanalys, förväntas vara en användbar metod i många situationer inom materialvetenskap, till exempel där orienteringskontroll är kopplat till kontroll av fysiska egenskaper, den funktionella förbättringen av porösa material som används för CO ₂ fånga, och utveckling av nya heterogena katalysatorer.