How can polarization spectroscopy be harnessed for materials characterization?

"Advances and Challenges in Materials Characterization Using Nonpolarized, Linearly Polarized, and Circularly Polarized Spectroscopic Methods"

Photoactive materials whose functionalities arise from light absorption, scattering, and emission, including chiroptical responses, are central to technologies spanning photocatalysis, photovoltaics, chemical sensing, and sustainable energy conversion. Their performance and reliability are governed not only by intrinsic material properties, but also by how photons interact with structure across multiple length and time scales. Despite the routine use of optical and chiroptical spectroscopies such as UV vis absorption, fluorescence, light scattering, fluorescence anisotropy, circular dichroism, and circular intensity differential scattering in both research and education, fundamental deficiencies persist in how these measurements are taught, executed, and interpreted. Spectra are often treated as direct proxies for intrinsic properties, while coupled optical processes such as absorption-scattering-emission interplay-, polarization-mixing-, inner-filter- effects-, and detection-geometry-dependent artifacts are implicitly neglected or grossly oversimplified.

This seminar offers a critical examination of commonly used nonpolarized, linearly polarized, and circularly polarized spectroscopic techniques, highlighting not only their strengths but also systematic limitations that routinely lead to ambiguous or misleading conclusions in materials characterization. Drawing on recent advances from our group, developed in collaboration with external partners, I will introduce measurement strategies and instrumental architectures that explicitly account for cascading photon matter interactions among absorption, scattering, and emission. These approaches improve measurement reliability, reproducibility, and interpretive clarity, enabling more faithful separation of intrinsic material responses from measurement induced distortions and, in some cases, deliberately leveraging coupled optical phenomena to extract otherwise inaccessible physical insight.

Beyond research applications, the talk will address an urgent and underappreciated gap in optical spectrometric education. Conventional instructional frameworks often lag far behind modern experimental realities, leaving students ill-prepared to critically evaluate real spectra from complex material systems. I will discuss ongoing efforts to reform optical spectroscopy education toward an evidence based, measurement aware paradigm that integrates instrument response, photon efficiency, and multidimensional data interpretation.

Take home message: Optical spectra are not intrinsic material properties. They are measurement outcomes shaped by photon matter interactions and instrument design. Advancing materials discovery and education therefore requires treating spectroscopy not as a black box technique, but as a rigorous, physics aware measurement science.

About Professor Dongmao Zhang: Dr. Dongmao Zhang is a Professor of Chemistry at Mississippi State University in the United States. His research focuses on optical spectrometry using nonpolarized, linearly polarized, and circularly polarized excitation and detection, with an emphasis on measurement science, instrument development, and rigorous interpretation of photon-matter interactions. He develops first-principles models and experimental strategies that account for coupled absorption, scattering, and emission processes, with applications to photoactive nanomaterials, chiroptical plasmonic nanoparticles, and bioanalytical assays. Dr. Zhang has published widely in analytical, physical, and materials chemistry journals, as well as in education focused journals such as the Journal of Chemical Education. His work is supported by the US National Science Foundation, and he is actively involved in advancing optical spectroscopy education through faculty workshops and curriculum development. He earned his PhD in Chemistry from Purdue University.

-------------------------

Avanços i reptes en la caracterització de materials mitjançant mètodes espectroscòpics no polaritzats, linealment polaritzats i circularment polaritzats

Els materials fotoactius, les funcionalitats dels quals sorgeixen de l'absorció, la dispersió i l'emissió de llum —incloses les respostes quiroòptiques—, són fonamentals per a tecnologies que van des de la fotocatàlisi i la fotovoltaica fins a la detecció química i la conversió d'energia sostenible. El seu rendiment i fiabilitat no només depenen de les propietats intrínseques del material, sinó també de com els fotons interactuen amb l'estructura a través de múltiples escales espacials i temporals. Malgrat l'ús rutinari d'espectroscòpies òptiques i quiroòptiques (com l'absorció UV-vis, la fluorescència, la dispersió de llum, l'anisotropia de fluorescència, el dicroisme circular i la dispersió diferencial d'intensitat circular) tant en recerca com en educació, persisteixen deficiències fonamentals en la manera com s'ensenyen, s'executen i s'interpreten aquestes mesures. Sovint, els espectres es tracten com a representacions directes de propietats intrínseques, mentre que es negligeixen implícitament o se simplifiquen excessivament processos òptics acoblats com la interacció absorció-dispersió-emissió, la barreja de polarització, l'efecte de filtre intern i els artefactes dependents de la geometria de detecció.

Aquest seminari ofereix un examen crític de les tècniques espectroscòpiques no polaritzades, linealment polaritzades i circularment polaritzades més utilitzades, destacant no només els seus punts forts sinó també les limitacions sistemàtiques que sovint porten a conclusions ambigües o errònies en la caracterització de materials. Basant-me en els avenços recents del nostre grup, desenvolupats en col·laboració amb socis externs, presentaré estratègies de mesura i arquitectures instrumentals que tenen en compte explícitament les interaccions fotó-matèria en cascada entre l'absorció, la dispersió i l'emissió. Aquests enfocaments milloren la fiabilitat de la mesura, la reproductibilitat i la claredat interpretativa, permetent una separació més fidel de les respostes intrínseques del material respecte a les distorsions induïdes per la mesura i, en alguns casos, aprofitant deliberadament els fenòmens òptics acoblats per extreure informació física que d'una altra manera seria inaccessible.

Més enllà de les aplicacions en recerca, la xerrada abordarà una bretxa urgent i poc reconeguda en l'educació de l'espectrometria òptica. Els marcs instructius convencionals sovint queden molt enrere respecte a les realitats experimentals modernes, deixant els estudiants poc preparats per avaluar críticament espectres reals de sistemes de materials complexos. Discutiré els esforços actuals per reformar l'educació en espectroscòpia òptica cap a un paradigma basat en l'evidència i conscient de la mesura, que integri la resposta de l'instrument, l'eficiència fotònica i la interpretació de dades multidimensionals.

Conclusió principal: Els espectres òptics no són propietats intrínseques del material. Són resultats de mesura modelats per les interaccions fotó-matèria i el disseny de l'instrument. Per tant, avançar en el descobriment de materials i en l'educació requereix tractar l'espectroscòpia no com una tècnica de "caixa negra", sinó com una ciència de mesura rigorosa i conscient de la física.

Sobre el professor Dongmao Zhang: el Dr. Dongmao Zhang és professor de Química a la Universitat Estatal de Mississippi (EUA). La seva recerca se centra en l'espectrometria òptica mitjançant excitació i detecció no polaritzada, linealment polaritzada i circularment polaritzada, amb èmfasi en la ciència de la mesura, el desenvolupament d'instruments i la interpretació rigorosa de les interaccions fotó-matèria. Desenvolupa models de primers principis i estratègies experimentals que consideren els processos acoblats d'absorció, dispersió i emissió, amb aplicacions en nanomaterials fotoactius, nanopartícules plasmòniques quiroòptiques i assajos bioanalítics.

El Dr. Zhang ha publicat extensament en revistes de química analítica, física i de materials, així com en revistes centrades en l'educació com el Journal of Chemical Education. El seu treball compta amb el suport de la National Science Foundation dels EUA, i participa activament en la millora de l'educació de l'espectroscòpia òptica mitjançant tallers per a professorat i desenvolupament de plans d'estudis. Es va doctorar en Química per la Universitat de Purdue.