Se på Mie! Team tester århundrede gamle beregninger

Beregninger er fine, men at se er at tro. Det er tanken bag et nyt papir fra Rice University-studerende, som besluttede at afprøve beregninger lavet for mere end et århundrede siden.

I 1908, den tyske fysiker Gustav Mie kom med et elegant sæt ligninger til at beskrive interaktionen mellem elektromagnetiske bølger og en sfærisk metalpartikel. Teorien har været en prøvesten lige siden for forskere, der søger at kvantificere, hvordan plasmoniske partikler på nanoskala spreder stråling.

"Mie-teorien bruges i vid udstrækning, når du beskæftiger dig med nanopartikler og deres optiske egenskaber, sagde Alexei Tcherniak, en Rice kandidatstuderende og primær forfatter til det nye papir i online-udgaven af Nano bogstaver denne måned. "Det er grundlaget for enhver beregning."

Tcherniak og Stephan Link, en Rice assisterende professor i kemi og elektro- og computerteknik, co-forfattet papiret sammen med tidligere kandidatstuderende Ji Won Ha og nuværende Rice kandidatstuderende Liane Slaughter og Sergio Dominguez-Medina.

Bedre karakterisering af enkelte nanopartikler er vigtig for forskere, der forfølger mikroskopiske optiske sensorer, subbølgelængde "super linser, "katalyse og fototermiske cancerterapier, der bruger nanopartikler.

"Da teknologien bevæger sig mod enkeltpartikeldetektion, vi ville se, om Mies forudsigelser ville holde, "Tcherniak sagde." Gennemsnitlige ejendomme falder præcist på forudsigelserne i Mie -teorien. Men vi viser, at individuelle partikler afviger en del." Partikler, der er forskellige i størrelse, kan returnere lignende signaler, fordi de varierer i form og orientering på underlaget, som de også interagerer med. Mies teori, udviklet til sfæriske partikler i opløsning længe før enkeltpartikelspektroskopi, ikke overvejet disse faktorer.

Projektet begyndte som en bibeskæftigelse i elevernes forsøg på at spore enkelte nanopartikler i opløsning. Det blev deres primære fokus, da de indså omfanget af opgaven, som indebar analyse af fem sæt guldpartikler fra 51 til 237 nanometer brede - de "biologisk relevante" størrelser, Tcherniak forklarede.

Hvert sæt partikler blev fotograferet med et scanning-elektronmikroskop og derefter analyseret for dets absorptions- og spredningsegenskaber via enkelt-partikel fototermisk billeddannelse og laser-mørkefeltspredning.

Det var kedeligt, indrømmede de.

"Når du skal finde en partikel med en diameter på 50 nanometer på en prøve, der er 5 x 5 millimeter, du leder efter en nål i en høstak, " sagde Tcherniak. Slaughter og Dominguez-Medina nikkede indforstået og mindede om en sommer med lange dage, der krævedes for at kategorisere flere hundrede partikler - nok "til at få alle de punkter på grafen."

De brugte et par strategier til at lokalisere partikler. Den ene var at sætte mikron-skala gitterkoordinater på glasset, der indeholdt nanopartikelprøver. "Det fortalte os nogenlunde, hvor de var, " sagde Tcherniak.

En anden involverede at anvende lidt astronomi på deres mikroskopi. De fandt ud af, at de ledte efter "konstellationer" i pletternes mønstre. "Vi begyndte at sige, 'Åh, der ligner en næse. Har vi en næse andre steder? '"Slaughter sagde." Vi var så trætte; navnene var måske ikke særlig gode."

Men det er deres resultater.

"Mie-teorien eksisterede længe før nogen vidste om nanopartikler, så det er en pæn ting at kunne teste det, " sagde Link om hans elevers arbejde. "Dette er vigtigt, fordi de virkelig sammensætter byggestenene, der vil gøre det muligt for forskere at se på mere komplekse strukturer. Det her var ikke en nem opgave."