INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD MADERO

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

TÓPICOS DE NUEVOS MATERIALES CATALÍTICOS

ING. DAVID MACIAS FERRER, L.P.,M.E.G86070090

Presenta:

ESPECTROSCOPIA RAMAN

HISTORIA

A pesar de la dispersión inelástica de la luz fue predicha porAdolf Smekal (1895-1959) en 1923, no es sino hasta 1928 que seobservó en la práctica. Fue el científico hindú Sir ChandrasekharaVenkata Rāman (1888–1970) quien observó el efecto por medio de laluz del sol.

HISTORIA

Raman ganó el Premio Nobel de Física en 1930 por estedescubrimiento, utilizando la luz solar, un filtro de banda estrechafotográfica para crear una luz monocromática, y un "filtro cruzado"para bloquear la luz monocromática. Encontró que una pequeñacantidad de luz había cambiado de frecuencia y que pasaba a través defiltro "cruzado".

ESPECTROSCOPIA RAMAN

Es una técnica espectroscópica para observar los modosrotacional, vibracional, y otros de baja frecuencia en un sistema. Sebasa en la dispersión inelástica, o dispersión Raman, de la luzmonocromática, por lo general de un láser en el espectro visible,infrarrojo cercano, o cerca de rango ultravioleta. Un rayo láserinteractúa con las vibraciones moleculares, fonones o otrasexcitaciones en el sistema, dando lugar a que la energía de los fotonesláser se desplace hacia arriba o hacia abajo. El cambio en la energía dainformación sobre los modos de vibración en el sistema.

Típicamente, una muestra se ilumina con un haz de láser. Laluz procedente del punto iluminado se recolecta con una lente y esenviada a través de un monocromador. Las longitudes de ondacercanas a la línea de láser debido a la dispersión de Rayleigh elásticose filtran mientras que el resto de la luz recolectada se dispersa sobreun detector.

Charge-Coupled Device

El efecto Raman ocurre cuando la luz incide sobre unamolécula e interactúa con la nube de electrones y los lazos de esamolécula. Para el efecto Raman espontáneo, que es una forma dedispersión de la luz, un fotón excita la molécula desde el estadofundamental a un estado de energía virtual. Cuando la molécula serelaja emite un fotón y lo devuelve a un estado diferente de rotación ode vibración. La diferencia en energía entre el estado original y estenuevo estado conduce a un cambio en la frecuencia del fotón emitidolejos de la longitud de onda de excitación. El efecto Raman, que es unfenómeno de dispersión de luz, no debe confundirse con la absorción(como con fluorescencia) cuando la molécula se excita a un niveldiscreto de energía (no virtual).

Si el estado final de vibración de la molécula es másenergético que el estado inicial, entonces el fotón emitido serádesplazado a una frecuencia más baja a fin de que la energía total delsistema permanezca equilibrada. Este cambio de frecuencia se designacomo desplazamiento de Stokes. Si el estado vibratorio final es menosenergético que el estado inicial, entonces el fotón emitido serádesplazado a una frecuencia más alta, y esto se designa como uncambio de anti-Stokes.

Un cambio en el potencial de polarización molecular - o lacantidad de deformación de la nube electrónica - con respecto a lacoordenada vibracional se requiere para que una molécula exhiba unefecto Raman. La cantidad del cambio de polarizabilidad determinarála intensidad de la dispersión Raman. El patrón de frecuenciasdesplazadas está determinado por los estados rotacionales yvibracionales de la muestra.

FUNDAMENTO FÍSICO-MATEMÁTICO

Cuando la luz incide sobre una molécula, el campo eléctricooscilante de la radiación incidente provoca una oscilación de la densidadelectrónica en la molécula, efecto que viene representado por laaparición de un momento dipolar eléctrico oscilante inducido queactúa, a su vez, como fuente de radiación, originando las dispersiones(scattering) Rayleigh y Raman. Esta dispersión está dirigida en todas lasdirecciones, excepto en la de la propia dirección del dipolo. La máximaintensidad de la dispersión, Imax , se da a un ángulo de 90° con respectoal eje del dipolo. Para cualquier otra dirección se cumple que:

2

maxI I sen

El dipolo eléctrico oscilante inducido por la radiación incidenteoscilará, por un lado, con la frecuencia de oscilación del campo eléctricode dicha radiación y, también, con las frecuencias de vibración de lamolécula. La magnitud del momento dipolar eléctrico oscilante inducidoviene dado (despreciando las hiperpolarizabilidades) por:

en donde α es la polarizabilidad de la molécula, cuya característicamatemática es la de ser un tensor real y simétrico. La no consideración delas hiperpolarizabilidades es válida cuando se emplean campos eléctricosno muy intensos. Las diferentes componentes de son:

donde las ij son las componentes del tensor polarizabilidad.

μ E

x xx xy xz x

y yx yy yz y

z zx zy zz z

E

E

E

La polarizabilidad molecular es función de las coordenadasnormales de vibración, Qk, por lo que podemos expresarla mediante undesarrollo de Taylor con respecto a estas coordenadas:

donde las ij son las componentes del tensor polarizabilidad. en donde elsubíndice (0) hace referencia a la configuración de equilibrio. Si nosquedamos solo con los términos de orden uno (armonicidad eléctrica), laanterior ecuación resulta igual a:

Si suponemos, además, un movimiento armónico simple (armonicidadmecánica)

2

0 k k l

k k lk k,l0 0

1Q Q Q

Q 2 Q Q

α αα α ζ

0 k 0 k

kk k0

Q 'QQ

αα α α α

k k0 kQ Q cos 2 t

donde Qk0 es la amplitud de la coordenada normal y considerando que elcampo eléctrico oscila con la frecuencia de la radiación incidenteν0, obtendremos finalmente:

Teniendo en cuenta la relación trigonométrica:

resulta:

La oscilación con frecuencia ν0 origina la dispersión Rayleigh; lasoscilaciones con frecuencias ( 0 k) y ( 0 + k) originan las dispersionesRaman (Stokes y anti-Stokes, respectivamente).

0 0 0 0 k0 0 k

k

E cos 2 t 'E Q cos 2 t cos 2 tμ α α

0 k 0 k 0 k2cos cos cos cos

0 0 0 0 k0 0 k 0 k

k

1E cos 2 t E 'Q cos 2 t cos 2 t

2μ α α

APLICACIONES

La espectroscopia Raman se utiliza comúnmente en química, yaque la información vibracional es específica de los enlaces químicos y lasimetría de las moléculas. Por lo tanto, proporciona una “huella digital”para la molécula identificada. Por ejemplo, las frecuencias vibratorias deSiO, Si2O2 y Si3O3 fueron identificados y asignados sobre la base de losanálisis de coordenadas normales usando espectros infrarrojo y Raman.

Analizadores de gas de Raman tienen muchas aplicacionesprácticas. Por ejemplo, se utilizan en medicina para la supervisión entiempo real de un anestésico y mezclas de gases respiratorios durante lacirugía.

En física del estado sólido, la espectroscopía Ramanespontánea se utiliza para, entre otras cosas, caracterizar losmateriales, calcular la temperatura medida, y encontrar la orientacióncristalográfica de una muestra.

MATERIALES DE CARBONOGRAFENO

MATERIALES DE CARBONOGRAFITO

MATERIALES DE CARBONOVULCAN XC-72

MATERIALES DE CARBONODIAMANTE

MATERIALES DE CARBONOFULERENO C60

MATERIALES DE CARBONONANOTUBOS DE CARBONO

(PARED SIMPLE)

MATERIALES DE CARBONONANOTUBOS DE CARBONO

(PARED MÚLTIPLE)

MATERIALES DE CARBONONANOFIBRAS

MATERIALES DE CARBONONANORODS