La tecnica di analisi spettroscopica Raman è un metodo innovativo e non distruttivo utilizzato per ottenere informazioni dettagliate sulla struttura chimica dei materiali. Questa tecnica fornisce dettagli su fase, polimorfismo, cristallinità e interazioni molecolari, ed è ampiamente impiegata in diversi settori, come il controllo di qualità, l’identificazione dei campioni e la caratterizzazione dei materiali.
Il nome “spettroscopia Raman” deriva dal fisico indiano Chandrasekhara Venkata Raman, che per primo osservò il fenomeno della diffusione della luce nel 1928, guadagnandosi il Premio Nobel per la Fisica nel 1930.
Questa tecnica si basa sulla diffusione di una radiazione elettromagnetica monocromatica da parte del campione analizzato. Durante il processo, la maggior parte della luce diffusa ha la stessa lunghezza d’onda della sorgente laser, ma una piccola quantità viene diffusa a diverse lunghezze d’onda, dipendenti dalla struttura chimica dell’analita.
Nell’effetto Raman, i fotoni della radiazione interagiscono con la molecola, e l’energia dei fotoni diffusi è aumentata o diminuita rispetto a quella dei fotoni incidenti, corrispondente alle differenze energetiche tra i livelli rotazionali o vibrazionali della molecola.
È possibile distinguere due tipi di diffusione Raman: la diffusione Stokes e quella anti-Stokes. La diffusione di Stokes produce una radiazione con lunghezza d’onda maggiore rispetto a quella della radiazione eccitante, mentre la diffusione anti-Stokes produce una radiazione con lunghezza d’onda inferiore e frequenza maggiore della radiazione incidente.
La spettroscopia Raman si basa sul principio che la maggior parte delle molecole tende a trovarsi nello stato vibrazionale fondamentale, e quindi lo scattering di Stokes è il processo statisticamente più probabile e per questo motivo è quasi sempre quello misurato.
A differenza della spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier che esamina i cambiamenti nei momenti di dipolo, la spettroscopia Raman si focalizza sui cambiamenti nelle energie vibrazionali delle molecole.
La spettroscopia Raman rappresenta un’importante risorsa analitica per diversi settori, offrendo dettagliate informazioni sulla struttura chimica dei materiali analizzati. La sua capacità di fornire dati accurati la rende una tecnica di analisi di grande rilevanza per la ricerca scientifica e l’industria.La polarizzabilità dei legami molecolari è un argomento di grande importanza nella chimica. Quando una molecola interagisce con la luce, il campo elettromagnetico oscillante dei fotoni induce una variazione nella distribuzione elettronica della molecola, portandola in uno stato energetico più elevato grazie all’energia dei fotoni transferita alla stessa.
I legami molecolari presentano specifiche transizioni energetiche che comportano variazioni nella loro polarizzabilità. Ad esempio, le molecole contenenti legami tra atomi uguali, come il carbonio-carbonio, zolfo-zolfo e azoto-azoto, manifestano un cambiamento della loro polarizzabilità quando interagiscono con i fotoni.
La spettroscopia Raman è in grado di misurare il divario energetico tra i diversi livelli vibrazionali all’interno di una molecola. Questi livelli vibrazionali rappresentano le varie modalità di vibrazione della molecola. Le molecole poliatomiche possono presentare diverse modalità vibrazionali, ciascuna con la propria scala di livelli vibrazionali.
Per le molecole non lineari con N atomi, il numero di modalità vibrazionali è dato da 3N-6, in cui 3N rappresenta i gradi di libertà totali della molecola, a cui vengono sottratti i 3 gradi di libertà traslazionali e i 3 rotazionali. Per le molecole lineari, il numero di modalità vibrazionali è 3N-5, a causa della presenza di un grado di libertà rotazionale in meno.
Non tutte le modalità vibrazionali possono essere rilevate tramite la spettroscopia Raman. Affinché una modalità vibrazionale possa essere rilevata, deve essere “Raman active”, ovvero la polarizzabilità molecolare deve cambiare durante la vibrazione. Questo fenomeno rende possibile la rivelazione di specifiche modalità vibrazionali all’interno della molecola.