Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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Imbuia

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Imbúia é o nome popular da espécie Ocotea porosa típica das florestas de araucárias da região sul do Brasil. (Foto: Domínio Público)

Imbúia (Infrared Micro and Nanospectroscopy Beamline) será uma linha de luz dedicada à experimentos de micro e nano-espectroscopia de infravermelho (IR) na faixa de IR médio. Esses experimentos permitem a análise composicional de praticamente qualquer material e são essenciais para a realização de pesquisa de fronteira em novos materiais, com especial ênfase em materiais orgânicos biológicos e sintéticos.

 

Espectroscopia de infravermelho (FTIR) é uma das mais estabelecidas técnicas para a análise de compostos orgânicos e inorgânicos. Esta faixa energética do espectro eletromagnético contém os níveis de energia associados às vibrações e rotações moleculares. Tais modos vibracionais e rotacionais são assinaturas particulares dos grupos funcionais das moléculas e permitem a aplicação da FTIR na análise composicional de praticamente qualquer material. No entanto, muitas propriedades e funções dos materiais são definidas por distintas fases (estruturais ou químicas) em domínios e interfaces na escala de nanômetros a poucos mícrons. Neste contexto, ferramentas para análise de materiais via microscopia e nanoscopia de FTIR são essenciais para a realização de pesquisa de fronteira em novos materiais assim como no entendimento de materiais naturais.

 

A IMBÚIA será dedicada à realização de experimentos de micro e nano-FTIR na faixa de IR médio. Para isso, a sua ótica coletará a radiação de borda gerada em um dos trechos retos do acelerador Sirius, que será dividida em duas estações experimentais. A primeira estação experimental (IMBÚIA µ-FTIR) será equipada com um micro-espectrômetro de IR que atuará com focalização dentro do limite de difração, com resolução espacial típica de 3 μm. A segunda estação (IMBÚIA nano-FTIR, já em operação no UVX) será equipada com um microscópio de campo próximo que pode chegar a resoluções espaciais muito além do limite de difração, tipicamente de 25 nm. Atualmente, apenas 3 laboratórios síncrotron reportaram experimentos de nano-FTIR em uma linha de luz, o que fará da estação IMBÚIA nano-FTIR uma das poucas estações do gênero disponíveis para a comunidade mundial de FTIR e de ciência de nanomateriais.

ELEMENTOS ÓTICOS

Elemento Tipo Posição[m] Descrição
FONTERadiação IR de bordaRadiação de borda gerada pela interferência entre dois dipolos de 0,5 T em trecho reto B1-B1
M1Espelho plano 90°0,2Espelho plano de Ouro-Alumínio com rasgo central para extração de luz visível a THz.
CVD1Janela de diamanteJanela de diamante CVD para isolamento de ambiente de ultra-alto vácuo.
M2Espelho plano 90°1,0Espelho plano de Ouro-Alumínio
M3Espelho plano 90°1,5Espelho plano de Ouro-Alumínio
M4Espelho Elíptico focalizador2,0Espelho de forma elíptica de Ouro-Alumínio para focalização de feixe a 20 m da fonte.
CVD2Janela de diamante20,0 Janela de diamante CVD
M5 Espelho elíptico colimador30,0Espelho de forma elíptica de Ouro-Alumínio para colimação do feixe na estação experimental

PARÂMETROS

Parâmetro Valor Obs. | Condição
Faixa de Energia [ \( \mu \rm m\)]0.7 - 20 Visível a IR médio
Resolução de energia [\( \Delta\)E/E]\( 0,\!1\, \rm cm^{-1}\)\( \mu\)-FTIR
Resolução de energia [\( \Delta\)E/E]\( 3\, \rm cm^{-1}\)nano-FTIR
Varredura de energiaFTIR
Tamanho do feixe [ \( \mu \rm m\) ]3 x 3 \( \mu\)-FTIR
Tamanho do feixe [nm]25 x 25nano-FTIR
Divergência do feixe [mrad] <1nas estações experimentais

Técnicas Disponíveis

 

Nas duas estações da linha de luz Imbuia estarão disponíveis as seguintes técnicas:

 

µ-FTIR em modos de transmissão e reflexão e ATR (Attenuated Total Reflectance)

 

µ-FTIR é um experimento majoritariamente realizado em síncrotrons. Para atingir resolução espacial no limite da difração faz-se necessário o uso de aberturas reduzidas no microscópio, justificando o uso de fontes de alto brilho (alto fluxo de fótons em pequenas áreas). O brilho no experimento de µ-FTIR pode ser até 1000 vezes maior que de um experimento convencional de FTIR de bancada (fontes térmicas), proporcionando a mais alta relação sinal-ruído disponível em técnicas de análise vibracional na faixa de IR médio. Nesta faixa energética encontram-se os principais modos vibracionais dos grupos funcionais moleculares de compostos orgânicos. Assim, por exemplo, a técnica é especialmente atrativa na investigação bioquímica de células animais isoladas [1-2].

 

[1] E. Giorgini, G. Gioacchini, S. Sabbatini, C. Conti, L. Vaccari, a Borini, O. Carnevali, e G. Tosi, “Vibrational characterization ouriere gametes: a comparative study.”, Analyst139, p. 5049–60 (2014).

 

[2] M. J. Hackett, F. Borondics, D. Brown, C. Hirschmugl, S. E. Smith, P. G. Paterson, H. Nichol, I. J. Pickering, e G. N. George, “Subcellular biochemical investigation of purkinje neurons using synchrotron radiation ourier transform infrared spectroscopic imaging with a focal plane array detector”, ACS Chem. Neurosci., 4, p. 1071–1080 (2013).

 

Micro-tomografia espectral de IR

 

A tecnologia de detecção na faixa de IR tem evoluído rapidamente e tem viabilizado estudos de imageamento IR em curtos períodos de integração. Os “Focal Plane Arrays” (FPAs), os quais são detectores de área compostos de matrizes micrométricas de detectores de IR banda larga, permitem a tomada de imagens hiper-espectrais de IR em “full-field” e assim possibilitam rápida construção de mapas químicos com resolução micrométrica em poucas dezenas de segundos. Dada a velocidade de aquisição de mapas bidimensionais espectrais, a combinação de FPAs com síncrotron permite a extensão da imagens IR 2D para uma caracterização volumétrica via tomografia de IR. No entanto, na tomografia de IR cada voxel possui um espectro completo de IR permitindo a reconstrução de volumes com seleção química. A técnica tem sido aplicada no estudo de células e tecidos biológicos [3] assim como no mapeamento tridimensional de blendas de polímeros biológicos [4].

 

[3] M. C. Martin, C. Dabat-Blondeau, M. Unger, J. Sedlmair, D. Y. Parkinson, H. a Bechtel, B. Illman, J. M. Castro, M. Keiluweit, D. Buschke, B. Ogle, M. J. Nasse, e C. J. Hirschmugl, “3D spectral imaging with synchrotron Fourier transform infrared spectro-microtomography.”, Nat. Methods, 10, p. 861–4 (2013).

 

[4] M. Unger, J. Sedlmair, H. W. Siesler, e C. Hirschmugl, “3D FT-IR imaging spectroscopy of phase-separation in a poly(3-hydroxybutyrate)/poly(l-lactic acid) blend”, Vib. Spectrosc., 75, p. 169–172 (2014).

 

Nano-FTIR e imagem espectral via síncrotron s-SNOM

 

Nano-FTIR é uma das mais avançadas técnicas para a análise química de materiais na nanoescala. Ela é baseada na combinação do experimento de microscopia de varredura óptica de campo próximo (s-SNOM) com um feixe de IR banda larga. Assim como a FTIR, a nano-FTIR utiliza um interferômetro para a demultiplexação da resposta do feixe banda larga, porém, a interação do feixe é realizada via a interação de uma nano-antena com a superfície da amostra. O resultado é a possibilidade de realização de FTIR em áreas com dimensões de poucas dezenas de nanômetros. O uso da radiação síncrotron com s-SNOM tem permitido o estudo de diversos materiais nanométricos dentre eles polímeros nanoestruturados [5], nanofilmes biológicos [6], metamateriais bidimensionais baseados em grafeno [7] e dicalcogenetos [8]. Com o alto fluxo de IR e excelente estabilidade entregues pelo novo acelerador Sírius, a linha IMBÚIA nano-FTIR será uma das poucas estações no mundo a obter imagens hiper-espectrais IR com resolução nanométrica assim como permitirá a realização de espectroscopia vibracional de aglomerados com poucas unidades de moléculas.

 

[5] B. Pollard, F. C. B. Maia, M. B. Raschke, e R. O. Freitas, “Infrared Vibrational Nanospectroscopy by Self-Referenced Interferometry.”, Nano Lett., 16, p. 55–61 (2016).

 

[6] H. A. Bechtel, E. A. Muller, R. L. Olmon, M. C. Martin, e M. B. Raschke, “Ultrabroadband infrared nanospectroscopic imaging”, Proc. Natl. Acad. Sci., 111, p. 7191–7196 (2014).

 

[7] I. D. Barcelos, A. R. Cadore, L. C. Campos, A. Malachias, K. Watanabe, T. Taniguchi, F. Barbosa Maia, R. D. O. Freitas, C. Deneke, F. C. B. Maia, R. D. O. Freitas, e C. Deneke, “Graphene/h-BN plasmon–phonon coupling and plasmon delocalization observed by infrared nano-spectroscopy”, Nanoscale, 7, p. 11620–11625 (2015).

 

[8] P. Patoka, G. Ulrich, A. E. Nguyen, L. Bartels, P. A. Dowben, V. Turkowski, T. S. Rahman, P. Hermann, B. Kästner, G. Ulm, e E. Rühl, “Nanoscale plasmonic phenomena in CVD-grown MoS 2 monolayer revealed by ultra-broadband synchrotron radiation based nano-FTIR spectroscopy and near-field microscopy”, Opt. Express, 24, p. 1154–1164 (2016).