El espectro infrarrojo en fase gaseosa es un tesoro de información. La región infrarroja alberga transiciones vibratorias moleculares, que se combinan con ciclos moleculares cuánticos de baja energía. A través de los picos oscilantes resultantes, los investigadores pueden aprender mucho sobre estructuras y enlaces moleculares. Dado que los picos de la muestra en fase gaseosa no se expanden por interacciones intermoleculares, como si estuvieran en un líquido o sólido, se pueden resolver con precisión.

Pero incluso las moléculas simples pueden tener espectros vibratorios muy complejos. El metano, que contiene solo cinco átomos, tiene 90.000 picos de vibración conocidos. Los investigadores a menudo pueden simplificar el espectro enfriando la muestra para reducir la cantidad de estados de inicio poblados térmicamente. Si esto no es posible, o si el espectro no está suficientemente simplificado, otra opción es distribuir el espectro en dos dimensiones de frecuencia.

Las herramientas de espectroscopia 2D se desarrollaron hace décadas para RMN y recientemente se han adaptado a otras regiones espectrales (consulte el artículo de Stephen Kondiff y Shaul Mtkol, La física hoyjulio de 2013, página 44). En general, las coordenadas de frecuencia pico corresponden a transiciones que están conectadas de alguna manera; En la espectroscopia infrarroja 2D, representan vibraciones moleculares emparejadas. Al revelar estas conexiones, los investigadores pueden identificar más fácilmente los picos que corresponden a cualquier transición.

La mayoría de las técnicas de espectroscopia 2D están diseñadas para muestras en fase condensada, cuyos picos expandidos no necesitan una resolución exacta. Ahora DeAunna Daniels, Thresa Wells y Pedro Chende Spelman College en Atlanta, Georgia, ha desarrollado un método de espectroscopia infrarroja bidimensional capaz de resolver innumerables líneas finas como agujas de una muestra en fase gaseosa.

Dos factores contribuyeron a la mejora en la precisión. En primer lugar, en lugar de los métodos habituales en el dominio del tiempo para generar un espectro bidimensional, en el que los pulsos de luz golpean la muestra secuencialmente y la precisión está limitada por la precisión de los retrasos de tiempo sucesivos, los investigadores utilizaron el método del dominio de la frecuencia, la solución. de los cuales está determinado por líneas láser y resolución monocromática.

En segundo lugar, una de las longitudes de onda utilizadas –λ₄, trazado en el eje horizontal en el espectro de arriba, no se encuentra en el infrarrojo sino en el sistema visible. La luz visible se puede detectar con una sensibilidad extremadamente alta y con una resolución espectral de subescala. Debido al proceso óptico no lineal que los investigadores entusiasmaron en la muestra, aunque estaban midiendo la luz azul en longitudes de onda de aproximadamente 460 nanómetros, estaban examinando las transiciones vibratorias en frecuencias de aproximadamente 6000 cm.⁻¹o longitudes de onda alrededor de 1667 nanómetros.

Para una demostración de prueba de concepto, los investigadores utilizaron metano, cuya estructura y espectro vibratorio son bien conocidos. Pero esperan que el mismo método se pueda aplicar fácilmente a otros gases, incluidas mezclas, moléculas flexibles y reacciones químicas en curso, que antes estaban fuera del alcance de la espectroscopia infrarroja. (DA Daniels, T. Wells, PC Chen, 2012). J.Kim. física2022, doi: 10.1063/ 5.0109084.)