Vědci z CEITEC vyvíjejí v rámci celoevropské spolupráce unikátní přístroj pro zkoumání materiálů na mikroskopické úrovni

Elektronová paramagnetická rezonance (EPR) je důležitou vědeckou metodou, která výzkumníkům umožňuje získat hlubší vhled do struktury a funkce různých materiálů. Aktuálně dostupné klasické EPR metody mají však relativně nízkou úroveň citlivosti. Jak vysvětluje profesor Tomáš Šikola, výzkumníci v rámci evropského projektu PETER vyvíjí novou, citlivější metodu, která dokáže analyzovat látky a materiály až na mikroskopické úrovni. 

Takzvaný plazmon lze považovat za typ kvazičástice související s kolektivními oscilacemi volných elektronů v kovovém materiálu způsobenými světlem. Když elektrony kmitají uvnitř kovových částic, pak v jejich blízkosti  vzniká vysoce koncentrované elektromagnetické záření . „Jedná se o velmi intenzivní  elektromagnetické pole ve velmi malém prostoru,“ vysvětluje Tomáš Šikola, který působí jako profesor aplikované fyziky na FSI VUT, a také jako vedoucí výzkumné skupiny Příprava a charakterizace nanostruktur na CEITEC VUT. V zásadě to znamená, že díky zesílení magnetické složky tohoto tzv. blízkého pole je možné získat více informací o vlastnostech molekul, látek a materiálu. „Navíc, tuto informaci získáváme z malé oblasti v blízkosti kovových částic“, dodává. A právě s tímto faktem pracují výzkumníci v rámci projektu PETER, jehož výsledkem má být zcela nový spektroskopický mikroskop.

Tato schopnost je postavena na použití rezonančních mikrostruktur nebo plazmonických antén, které pomáhají zesílit magnetickou složku terahertzového elektromagnetického záření v blízkosti kovových částic a významně tak zlepšit citlivost. Intenzita elektromagnetického pole se zvyšuje, když se rozměry plazmonických antén odvíjejí od vlnové délky elektromagnetického záření a nastává tzv. rezonance. „Tyto mikrostruktury vyrábíme buď elektronovou litografií nebo optickou litografií,“ popisuje profesor Šikola. „Vlastnosti mikrotruktur můžeme i spolehlivě simulovat za pomocí numerických metod. Jakmile přejdeme k výrobě mikrostruktur, můžeme si být jisti, že rezonance je taková, jakou jsme očekávali.“ Pokud se nám podaří vyrobit jednu anténu na hrotu sondy speciálně vyvinutého mikroskopu atomárních sil (AFM), pak můžeme použít metody EPR pro mikroskopické zkoumání analytů s prostorovým rozlišením hluboko pod difrakčním limitem,“ dodává Šikola. Širším cílem tohoto výzkumu je vyvinout novou, citlivější metodu analýzy paramagnetických látek a materiálů, přičemž projekt spojuje čtyři partnery s různými oblastmi působnosti z celé Evropy (VUT v Brně, Univerzita ve Stuttgartu, NanoGUNE San Sebastian a Thomas Keating Ltd.). 

Ačkoliv se vědci z CEITEC v rámci projektu zabývají primárně vývojem plazmonických antén a systému AFM, je si profesor Šikola vědom širšího potenciálu tohoto citlivého spektroskopického  mikroskopu s vylepšeným prostorovým rozlišením. „Dal by se využít například k analýze baterií, k pochopení funkce katalytických center, a také v oblasti kvantových technologií,“ říká. Výzkumný tým se snaží, aby se vývoj dostal do fáze, kdy bude přístroj možné komercializovat. „Rádi bychom náš prototyp elektronové paramagnetické rezonance, který už máme hotový ve Stuttgartu, nabídli širší komunitě,“ říká profesor Šikola. Stále je však nutné před zpřístupněním prototypu udělat řadu testů. „Je to ale jedna z našich největších motivací v projektu,“ uzavírá Šikola. 

Zdroj: CEITEC