Física (plan 2002) 2024-1

Octavo Semestre, Laboratorio de Física Contemporánea I

La presentación del curso de Física Contemporánea I, grupo 8296 de 7:00 a 10:00 hrs, se hará el martes 15 de agosto 2023, 7:00 hrs, en el laboratorio de Física Moderna I, 2° piso del edificio de Física de la Fac. de Ciencias.

Por favor llavar cubre bocas, y lavarse las manos en el saniario antes de ingresar al salón de clases.

Medición de espectros Raman-SERS de Rodamina 6G

Descripción de las habilidades y conocimientos que adquirirán los estudiantes

Los alumnos adquirirán conocimientos básicos de la teoría del efecto Raman y del fenómeno de intensificación de la señal Raman (SERS) por efectos de superficie en nanoestructuras metálicas. En particular los referentes a la dispersión elástica e inelástica de la luz. Con sustratos que contienen nanoestructuras metálicas obtendrán los espectros SERS de compuestos como la rodamina 6G. Analizarán los espectros obtenidos y los compararán con los reportados en la literatura.

Objetivos

1. Asimilar los conceptos básicos de la teoría del efecto Raman y del fenómeno de intensificación de la señal Raman (SERS) por efectos de superficie en nanoestructuras metálicas.
2. Conocer una técnica de elaboración de muestras de nanoestructuras de plata sobre microesferas de sílice.
3. Obtener, analizar y comparar los espectros Raman y Raman-SERS de compuestos moleculares con y sin nanoestructuras metálicas.
4. Escritura de un reporte en forma de artículo de investigación y presentación de los resultados en formato seminario.

Introducción

Las propiedades de las nanoestructuras metálicas son muy diferentes de las propiedades del mismo material en escalas macroscópicas y han abierto un abanico muy extenso de investigaciones tanto científicas como tecnológicas. En general, las técnicas para formar nanoestructuras metálicas pueden agruparse, en general, en dos grandes categorías: las aproximaciones de reducción de tamaño (top-down) y las aproximaciones de auto ensamblado (bottom-up).

La litografía por nanoesferas (NLS) es una técnica de auto ensamblado para obtener nanoestructuras metálicas ordenadas. En esta técnica se sintetizan microesferas de sílice por el método de Stöber y se deposita una monocapa de ellas sobre la superficie de un sustrato para formar una mascarilla [1]. La mascarilla puede utilizarse de las siguientes formas:

i) Depositar una película metálica delgada sobre la mascarilla (MFOMS, Metal Film Over Micro Spheres). En este caso el sustrato puede usarse para aumentar la señal en la espectroscopia Raman, sustrato SERS [2].

ii) Depositar una película metálica delgada sobre la mascarilla y después remover las microesferas. En este caso se obtiene un patrón de nanoestructuras metálicas que se corresponde a los intersticios de la mascarilla. Una vez más, esta estructura se puede usar como sustrato SERS [3].

iii) Implantar iones metálicos a través de la monocapa y obtener nanoestructuras ordenadas embebidas en una matriz vítrea. En esta configuración se pueden estudiar los efectos no lineales de las nanoestructuras.

La espectroscopia Raman-SERS consiste básicamente en aumentar la intensidad de la señal del efecto Raman a través de las resonancias del plasmón en la superficie del metal [4]. El efecto Raman es un fenómeno de dispersión de la luz, que se explica al considerar la radiación electromagnética como partícula [5]. Cuando un fotón interactúa con una molécula, este puede ser dispersado de tres maneras: dispersión elástica (Rayleigh), el fotón emitido tiene la misma frecuencia que el fotón incidente); dispersión inelástica (Raman Stokes y Raman anti-Stokes), hay un cambio en la frecuencia entre el fotón emitido y el incidente. En la dispersión Stokes el fotón cede energía a la molécula y la frecuencia del fotón emitido es menor que la del fotón incidente; por otro lado, en la dispersión anti-Stokes el fotón obtiene energía de la molécula y la frecuencia del fotón emitido es mayor. El cambio en la frecuencia corresponde a energías vibracionales, rotacionales o de transiciones electrónicas de la molécula; es decir, el efecto Raman provee información acerca de propiedades moleculares, por eso es la base de varias técnicas espectroscópicas.

Metodología y resumen del desarrollo

El problema por resolver para el estudiante será el analizar y verificar la intensificación de la señal Raman debida a nanoestructuras de plata. Para ello se seguirá la siguiente metodología:

1. Revisión de los conceptos básicos del efecto Raman y del fenómeno Raman-SERS [4,5].
   • Dispersión elástica e inelástica de la luz, nanoestructuras, condiciones para que se tenga amplificación de la señal Raman.
   • Origen de los espectros Raman y su aplicación a moléculas.
2. Fabricación de sustratos SERS [1]:
   • Limpieza de 8 sustratos cuadrados de silicio de 1x1 cm² por medio de limpieza con con bastoncillos de algodón y con solución piranha.
   • Redispersión de una emulsión de microesferas de sílice.
   • Depósito de la emulsión con microesferas sobre 5 sustratos limpios para formar monocapas con arreglos hexagonales; los otros 3 sustratos se utilizarán como referencia.
   • Depósito de películas metálicas delgadas de plata, 50 nm, o nanopartículas de plata.
3. Caracterización de sustratos SERS.
   • Con ayuda de un microscopio óptico caracterizar las muestras con y sin nanoestructuras metálicas para encontrar las zonas de medición.
4. Medición de espectros Raman del colorante Rodamina 6G.
   • Preparar una solución de rodamina 6G en etanol a una concentración de 1x10^-5 M.
   • Separar 5 ml de la solución y sumergir los sustratos SERS en ella, dejar que el solvente se evapore.
   • Colocar el sustrato en la platina de un microscopio modular para espectroscopia Raman.
   • Con el programa OceanView obtener varios espectros Raman de diferentes zonas del sustrato.
5. Análisis y comparación de los espectros obtenidos tanto entre si como con los reportados en la literatura [2,3].
6. Exposición detallada del punto (1) y del desarrollo del experimento en general (2-5), antes de empezar el experimento.
7. Escritura de reporte.
   • El reporte deberá ser presentado en forma de artículo de investigación.
   • En el reporte, como apéndice proponer una aplicación o modificación de lo aprendido durante el experimento.
8. Hacer una presentación con los resultados obtenidos.

Lista de material y equipo a utilizar

1. Guantes.
2. Bata de laboratorio (obligatoria y personal).
3. Compuesto a estudiar.
4. Balanza de precisión para preparar la solución.
5. Sustratos con nanoestructuras de plata.
6. Microscopio óptico con sonda Raman.
7. Software para análisis de los datos (para encontrar las bandas de los espectros Raman).

Bibliografía

[1] A.A. Atenco Paredes, Preparación de muestras con monocapas de microesferas de sílice. Manual de laboratorio. México, 2020.

[2] E. Flores-Romero, E. Rodríguez-Sevilla, J.C. Cheang-Wong, “Silver films over silica microspheres (AgFOSM) as SERS substrates”, Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications 28, 81-87 (2018).

[3] C. Salinas, E. Rodríguez-Sevilla, E. Flores-Romero, J.C. Cheang-Wong, “Fabrication and characterization of surface- enhanced Raman scattering substrates with ordered arrays of gold nanopyramids by means of nanosphere lithography”, Materials Express 9 (2), 141-149 (2019).

[4] E.C. Le Ru, P.G. Etchegoin, Principles of surface enhanced raman spectroscopy, Ed. Elsevier. Amsterdam, 2009.

[5] D.A Long, The Raman effect, John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, England.

Interacción de Rayos X con la materia (radiografía digital)

Práctica Rotativa de Laboratorio de Física Contemporánea

Dr. Oscar G de Lucio

IFUNAM

HABILIDADES A DESARROLLAR

Al término del experimento el estudiante habrá adquirido habilidades para analizar e interpretar imágenes características de interacción de Rayos X con la materia, correlacionando los parámetros físicos involucrados, como son composición química, densidad, espesor.

Al término del experimento el estudiante habrá adquirido conocimientos básicos de interpretación de radiografías de objetos de interés pertenecientes al patrimonio cultural (cerámica, pintura).

Al término del experimento el estudiante habrá adquirido conocimientos acerca de la manera en que se pueden producir Rayos X y Rayos X característicos, así como de conceptos físicos tales como: bremsstrahlung, sección eficaz, transiciones atómicas radiativas. También conocerá los principios físicos involucrados en el funcionamiento de un detector de radiación; así como los principios básicos de seguridad radiológica.

LUGAR

Laboratorio Nacional de Ciencias para la Investigación y la Conservación del Patrimonio Cultural (radiografía digital)

OBJETIVOS

- Conocer los conceptos básicos de seguridad radiológica

- Comprender el funcionamiento de un detector de radiación

- Comprender la manera en que los Rayos X pueden ser generados y el tipo de distribución en energía que pueden presentar de acuerdo a su origen

- Comprender la manera en que los Rayos X interactúan con la materia, poder describir los principales tipos de interacción.

- Utilizar un sistema especializado para adquisición de datos

- Comprender la información contenida en una radiografía digital

INTRODUCCIÓN

Al irradiar un blanco sólido (e. g. Cu ó W) con electrones cuya energía cinética es del orden de algunos keV, se emite radiación electromagnética a la cual llamamos Rayos X. La distribución de estos rayos X en términos de su energía varía notablemente en función de la energía cinética de los electrones que los producen. Y normalmente corresponde a una superposición de un espectro ancho y continuo y picos con energías bien definidas.

Desde el descubrimiento de los Rayos X, y debido a la manera en que interactúan con la materia se ha encontrado una serie de aplicaciones de éstos para el estudio de materiales. A través de la radiografía es posible generar imágenes que aportan información acerca de las diferentes densidades (o incluso composiciones) presentes en las componentes de un determinado objeto, lo cual se expresa como diferentes contrastes en una imagen.

METODOLOGÍA Y RESUMEN

- Radiografía Digital: Se cuenta con un conjunto de imágenes de diferentes objetos de interés para el patrimonio cultural y se realizará la interpretación de dichas imágenes. Se mostrarán una serie de simulaciones para explicar los fenómenos físicos involucrados en la generación de radiografías

- Adquisición de imágenes: Los estudiantes tendrán acceso al equipo de radiografía digital del LANCIC-IF. Emplearán dicho equipo para realizar una serie de imágenes, variando los parámetros de energía (kV) e intensidad (mAs) aplicando la radiografía digital al estudio de diversos objetos.

MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR

• Resúmenes de lecturas seleccionadas, las cuales se adecuarán de acuerdo con las actividades que cada equipo de estudiantes desarrolle.
• Catálogo de imágenes de radiografía digital
• Software para el análisis y procesamiento de imágenes digitales
• Equipo Vidisco XPro e irradiador

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

En general se consideran 4 aspectos a evaluar; cada aspecto equivale al 25% de la calificación total.Esta información se presenta a los estudiantes en la primera sesión de la práctica:1. Preparación de la práctica; 2. Trabajo en clase; 3. Presentación de resultados; 4. Informe.

BIBLIOGRAFÍA BÁSICA

- J. H. Moore, C. C. Davis, M. A. Coplan. "Building Scientific Apparatus" 4a Edición. Cambridge University Press. New York. 2009.

- B. Crasemann (Ed.) "Atomic Inner-Shell processes". Academic Press . New York. 1975

- D. Halliday, R. Resnick, J. Walker. "Fundamentos de Física" 6a Edición. CECSA. México, 2001, 1218pp

- I. G. Hughes, T. P. A. Hase. "Measurements and their uncertainties" 1a edición. Oxford University Press, Great Britain, 2010. 136pp

- P. Sprawls. “The physical principles of medical imaging” 2ª edición. Medical Physics Publishing, USA, 1995. 545pp