Forskere tager molekylernes temperatur

Du kan røre ved en fungerende pære og vide med det samme, at den er varm. Av! Men man kan ikke røre ved et enkelt molekyle og få den samme feedback.

Rice University-forskere siger, at de har den næstbedste ting - en måde at bestemme temperaturen på et molekyle eller strømmende elektroner ved at bruge Raman-spektroskopi kombineret med en optisk antenne.

Et nyt papir fra Douglas Natelsons laboratorium, en risprofessor i fysik og astronomi, beskriver en teknik, der måler temperaturen på molekyler sat mellem to guld nanotråde og opvarmet enten af ​​strøm påført ledningerne eller laserlys. Avisen blev offentliggjort i denne uge i online-udgaven af Natur nanoteknologi .

Natelson, postdoc-forsker Dan Ward og deres kolleger fandt ud af, at mens måling af varme på nanoskala kan være meget mere kompliceret end at måle temperaturen på makroobjekter, det kan gøres med et niveau af nøjagtighed, der vil være af interesse for det molekylære elektroniksamfund eller enhver, der ønsker at vide, hvordan opvarmning og dissipation fungerer i meget små skalaer.

"Når du begynder at lave små elektroniske enheder eller bittesmå kryds, du skal bekymre dig om, hvordan energi ender i form af varme, " sagde Natelson. "I tilfælde af makroskopiske objekter, som glødetråden i en pære, du kan tilslutte et termoelement -- et termometer -- og måle det." Når pærer bliver varme, de lyser også. "Hvis du ser på lysspektret, der kommer ud, du kan finde ud af hvor varmt det er, " han sagde.

Det er en alt for forsimplet version af, hvad Natelson og Ward laver. Man kan ikke se gløden af ​​et molekyle. Imidlertid, forskerne kan sende lys ind som en sonde og detektere bølgelængden af ​​det lys, som molekylet returnerer, når det opvarmes. "I Raman-spredning, du sender lys ind, der interagerer med dit mål. Når det kommer tilbage, det vil enten have mere energi end du putter ind, eller det samme, eller mindre. Og vi kan se det og finde ud af den effektive temperatur af det, der spreder lyset."

Det nye arbejde følger et papir offentliggjort i september om laboratoriets skabelse af nano-antenner, der koncentrerer og forstørrer lyset op til 1, 000 gange. Det papir fokuserede på intensiteten af ​​laserlys skudt ind i et hul mellem spidserne af to guld nanotråde.

Denne gang, Natelson og Ward spredte molekyler - enten oligophenylen vinylen eller 1-dodecanthiol - på overfladen af ​​en guld nanotråd og brækkede derefter tråden, efterlader et hul i nanoskala. Da de var så heldige at finde molekyler i hullet - "det søde sted", hvor metaltrådene er tættest på, Natelson sagde - de ville tænde og læse de resulterende spektre.

Forsøgene blev udført i et vakuum med materialer afkølet til 80 kelvin (-315 grader Fahrenheit). Forskerne fandt ud af, at de nemt kunne registrere temperaturudsving på op til 20 grader i molekylerne.

På makroniveau, Natelson sagde, "Du ser normalt på noget, der i det væsentlige er koldt. Du sender lys ind, det dumper noget af energien ind i den ting, du ser på, og lyset kommer ud med mindre energi, end da du startede. Med Raman-spredning, du kan faktisk se særlige molekylære vibrationstilstande."

Men det modsatte kan ske, hvis atomerne allerede vibrerer med lagret energi. "Lyset kan fange noget af det og komme ud med mere energi, end da det startede, " forklarede han.

Effekten er mest dramatisk, når der tilføres strøm gennem nanotrådene. "Når vi skruer op for strømmen gennem dette kryds, vi kan se disse forskellige vibrationer ryste mere og mere. Vi kan se den her ting blive varm."

Natelson, udnævnt af Discover magazine i 2008 som en af ​​landets top 20 videnskabsmænd under 40 år, sagde, at eksperimenterne ikke kun viser, hvordan molekyler, der er kilet ind i nanogap, opvarmes, men også deres interaktion med metaltrådene. "Vibrationerne viser sig som skarpe toppe i spektrene, " sagde han. "De har meget bestemte energier. Under alt det, der er denne form for diffus udstrygning, hvor lyset i stedet interagerer med elektronerne i metallet, de faktiske metaltråde."

Natelson sagde, at det er ekstremt svært at få direkte information om, hvordan opvarmning og spredning fungerer på nanoskalaer. "Generelt, du kan ikke gøre det. Der er en masse modellering, men i form af eksperimentelle ting kan du faktisk måle, der fortæller dig, hvad der sker, alt er meget indirekte. Dette er en undtagelse. Det her er specielt. Du kan se, hvad der sker.

"I vores fantasy eksperiment, vi ville sige, 'Dreng, Jeg ville ønske jeg kunne gå ind med et termometer, ' eller, "Jeg ville ønske, jeg kunne se hvert molekyle og se, hvor meget det ryster." Og det er faktisk en måde at gøre det på. Vi kan virkelig se disse ting varme op."