新设备！Nature Nanotechnology揭示纳米光谱学仪器新开发及多功能应用！

【科学背景】

随着纳米技术的迅猛发展，科学家对于在纳米尺度下进行光谱分析的需求日益增加。尤其是在材料科学和纳米结构研究领域，对于在纳米尺度下了解材料的结构、性质和相互作用的需求十分迫切。然而，传统的光谱技术往往受到分辨率的限制，难以满足对于纳米尺度下样品的要求。

原子力显微镜-二维红外光谱（AFM-2DIR）的出现引起了科学家的广泛关注。这一技术结合了原子力显微镜（AFM）的高空间分辨率和二维红外光谱（2DIR）的丰富光谱信息，能够在纳米尺度下进行光谱分析。2DIR是一种时间域的二维红外光谱技术，通过扫描一系列飞秒红外脉冲来提供丰富的光谱信息，揭示分子结构、非谐性、耦合和能量转移等信息。然而，传统2DIR技术的空间分辨率受到阿贝衍射极限的限制，无法满足对于纳米尺度下样品的要求。

因此，科学家们开始探索将AFM与2DIR技术相结合的可能性，以克服空间分辨率的限制。之前的研究已经证明，基于AFM的红外（AFM-IR）技术可以通过机械光热检测实现纳米尺度下的红外成像。然而，将AFM与2DIR技术整合起来的研究还比较少见。

为了解决这一挑战，美国里海大学Xiaoji G. Xu教授团队在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Atomic-force-microscopy-based time-domain two-dimensional infrared nanospectroscopy”的最新论文。本研究团队开发了一种新的纳米光谱学方法，即AFM-2DIR。该方法利用样品对红外脉冲序列的光热响应来实现空间分辨的红外光谱分析，克服了传统2DIR技术的空间分辨率限制。通过选择适当的信号提取机制，研究团队成功地将AFM与2DIR技术相结合，实现了在纳米尺度下对样品的光谱分析。

通过该方法，研究团队成功揭示了样品中羰基振动模式的非谐性，以及在氮化硼等材料中声子极化子的能量转移途径。这一研究填补了纳米尺度下光谱分析技术的空白，为材料科学和纳米技术领域的研究提供了强大工具。

【科学亮点】

1. 本文首次实现了AFM-2DIR技术的集成：研究人员首次将原子力显微镜（AFM）与二维红外光谱（2DIR）相结合，创造了一种新的纳米光谱学方法。

2. 利用光热响应进行光谱分析：该方法利用样品对红外脉冲序列的光热响应，结合峰值力红外（PFIR）显微镜提取光热信号，实现对样品的纳米尺度光谱分析。

3. 揭示了样品的分子结构和能量传输：通过实验，研究人员成功揭示了样品中羰基振动模式的非谐性，并阐明了氮化硼（hBN）中声子极化子的能量传输途径。

4. 结果丰富而有前景：通过该技术，研究人员得以在纳米尺度下探索样品的分子结构、振动非谐性和能量传输过程，为纳米材料和异质结构的光谱分析提供了新的研究手段。

【图文解读】

图1：具有峰值力红外peak-force infrared，PFIR检测的原子力显微镜 atomic force microscopy，AFM-二维红外光谱two-dimensional infrared spectroscopy，2DIR方法的操作流程。。

图2. 羰基振动模式的2D-PFIR光谱表示。

图3. 在h10BN薄片中，双曲声子极化激元phonon polaritons (PhPs) 的实空间映射和解释。

图 4. 揭示能量转移h10BN的2D-PFIR光谱。

图5: 在h10BN中，声子极化激元PhPs的传播特性和能量传递路径。

【科学结论】

原子力显微镜-二维红外光谱（AFM-2DIR）将在研究红外能量转移和模式耦合等问题上具有独特的优势，特别适用于异质纳米材料和结构。传统的二维红外光谱学在空间精度上存在不足，而AFM-2DIR则能够克服这一问题。其应用包括但不限于以下几个方面：

1. 空间和光谱研究蛋白质二级结构；

2. 聚合物的纳米相分离以及分子与声子/等离激元结构之间的模式耦合的调查；

3. 在定制结构的双折射材料中极化子的能量转移研究，以及在低温下的研究；

4. 识别振动模式的非谐性和能量转移对于研究异质催化反应中的反应性分子和中间体也是有益的。

此外，AFM-2DIR还可以通过脉冲整形来生成相位稳定的脉冲序列，从而减少扫描时间。序列中的脉冲数量可以从三个扩展到四个，即在t1和t2之间引入等待时间τ，以进一步解读能量转移的时间尺度。类似的原子力显微镜光热检测也可以应用于可见频率，从而允许在光伏领域进行电子跃迁的原位研究。

文献信息：Xie, Q., Zhang, Y., Janzen, E. et al. Atomic-force-microscopy-based time-domain two-dimensional infrared nanospectroscopy. Nat. Nanotechnol. (2024).https://doi.org/10.1038/s41565-024-01670-w