Forskere laver næste generations kemiske kortlægninger på nanoskalaen

(PhysOrg.com) - En pixel er tusind ord værd? Ikke præcis hvordan ordsprogene lyder, men i dette tilfælde, det er sandt:forskere ved Berkeley Labs Molecular Foundry har været banebrydende for en ny kemisk kortlægningsmetode, der giver en hidtil uset indsigt i materialer på nanoskalaen. Går ud over traditionelle statiske billeddannelsesteknikker, som giver et øjebliksbillede, disse nye kort vil guide forskere i dekryptering af molekylær kemi og interaktioner på nanoskalaen - kritisk for kunstig fotosyntese, biobrændstofproduktion og lette høstapplikationer såsom solceller.

“Denne nye teknik giver os mulighed for at fange meget højopløselige billeder af nanomaterialer med en enorm mængde fysisk og kemisk information på hver pixel, ”Siger Alexander Weber-Bargioni, en postdoktor i Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility på Foundry. “Normalt når du tager et billede, du får bare et billede af, hvordan dette materiale ser ud, men intet mere. Med vores metode, vi kan nu få oplysninger om funktionaliteten af ​​en nanostruktur med rige detaljer. ”

Molecular Foundry er et amerikansk Department of Energy (DOE) Office of Science nanovidenskabscenter og national brugerfacilitet. Med støberiets state-of-the-art fokuserede ionstråleværktøj til deres rådighed, Weber-Bargioni og hans team designede og fremstillede en koaksial antenne, der er i stand til at fokusere lys på nanoskalaen, - en lysudnyttelse svarende til at bruge en skarp kniv i tordenvejr, Weber-Bargioni siger.

Bestående af guld viklet omkring en siliciumnitrid atomkraftmikroskopspids, denne koaksiale antenne fungerer som en optisk sonde til strukturer med nanometeropløsning i flere timer ad gangen. Hvad mere er, i modsætning til andre scanning sonde tips, det giver nok forbedring, eller lysintensitet, at rapportere det kemiske fingeraftryk på hver pixel, mens der indsamles et billede (typisk 256 x 256 pixels). Disse data bruges derefter til at generere flere sammensætningsrelaterede "kort, ”Hver med et væld af kemiske oplysninger på hver pixel, ved en opløsning på kun tyve nanometer. Kortene giver information, der er afgørende for undersøgelse af nanomaterialer, hvor lokal overfladekemi og grænseflader dominerer adfærd.

“Fremstilling af reproducerbare nærfeltoptiske mikroskopi sonder har altid været en udfordring, ”Siger Frank Ogletree, fungerende facilitetsdirektør for billeddannelse og manipulation af nanostrukturer i støberiet. "Vi har nu en metode med højt udbytte til fremstilling af plasmoniske sonder til spektroskopi på forskellige overflader."

For at teste deres nye sondes evne, teamet undersøgte carbon nanorør, plader af carbonatomer rullede tæt ind i rør med kun et par nanometer i diameter. Carbon nanorør er ideelle til denne type interaktive undersøgelser, da deres uovertrufne elektroniske og strukturelle egenskaber er følsomme over for lokaliserede kemiske ændringer.

Brugere, der kommer til Molecular Foundry for at søge oplysninger om materialer til let høstning eller ethvert dynamisk system, bør have gavn af dette billeddannelsessystem, Weber-Bargioni siger.

Tilføjer Jim Schuck, staff scientist in the Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility at the Foundry, “We’re very excited—this new nano-optics capability enables us to explore previously inaccessible properties within nanosystems. The work reflects a major strength of the Molecular Foundry, where collaboration between scientists with complementary expertise leads to real nanoscience breakthroughs.”