Jagten på det lille carbon nanorør

(PhysOrg.com) -- Mens han skræddersyer et af verdens fineste billedinstrumenter til at tackle en af ​​videnskabens mest forvirrende udfordringer, Tom Flores føler, at han spiller et mikroskopisk spil Where's Waldo.

I børnebøgerne af Martin Handford, læsere porer over illustrationer proppet med hundredvis af mennesker for at søge efter Waldo og hans varemærke rød-hvid-stribede skjorte.

Flores, en junior hovedfag i fysik, er på jagt efter noget mere uhåndgribeligt - det lille kulstof nanorør.

Carbon nanorør måler 1 til 5 nanometer i diameter. En nanometer er en milliardtedel af en meter, eller mellem en ti tusindedel og en hundrede tusindedel af tykkelsen af ​​et menneskehår.

Med uovertruffen styrke, stivhed og hårdhed, og længde-til-diameter-forhold på så meget som millioner til én, CNT'er har potentiale inden for medicin, energi og mange andre applikationer.

Men deres uendelige størrelse gør det svært at finde og observere CNT'er. Mens Waldo gemmer sig bag folk, CNT'er gemmer sig mellem bump, nicks, pletter af støv og andre ufuldkommenheder på et objektglas. De afslører deres tilstedeværelse ved at udsende infrarødt lys, når en lyskilde er rettet mod dem.

Et ultratyndt fokusplan

Flores begyndte at studere CNT'er sidste forår med Slava Rotkin, lektor i fysik, og fortsatte sidste sommer i fysikafdelingens Research Experience for Bachelor-program. Finansieret af National Science Foundation, programmet giver studerende mulighed for at tage et 10-ugers betalt praktikophold sammen med et fakultetsmedlem.

Lehighs REU-program, med mere end to årtiers NSF-finansiering, er en af ​​landets ældste. I de seneste fem år har i gennemsnit 25 til 28 elever, omkring en tredjedel fra Lehigh, har deltaget i praktikken.

Flores og to kandidatstuderende - Massooma Pirbhai og Tetyana Ignatova - studerer CNT'er med et specialfremstillet NTEGRA-Spectra, der for nylig er erhvervet af Rotkin og Richard Vinci, professor i materialevidenskab og teknik. Instrumentet parrer et optisk mikroskop med et atomic-force mikroskop (AFM), hvis nålelignende sonde scanner en overflade og registrerer dens topografiske træk.

Flores og hans kolleger kombinerer AFM med en optisk billeddannelsesteknik kaldet total intern reflektionsfluorescens.

"TIRF er en form for fotoluminescens, ” siger Flores. "Du exciterer en genstand, så den afgiver lys, som giver information om objektet og dets egenskaber.

"TIRF kan excitere et objekt i et ekstremt tyndt plan. Vi studerer enkeltvæggede CNT'er, som er 1 nm i diameter. Vores fokusplan skal være meget tyndt; hvis ikke, vi får luminescens fra urenheder i nærheden af ​​vores prøve."

En unik integration af mikroskopiteknikker

Flores bruger AFM-probespidsen til at lokalisere positionen af ​​CNT'er på en prøve.

”Vi producerer et AFM topografisk billede, der viser os, hvor vi skal fokusere. Opløsningen af ​​det billede er kun begrænset af diameteren af ​​spidsen. Dette er meget bedre, end du kan gøre med en optisk sonde.

"Vores projekt er som et spil Where's Waldo. Vi forsøger at finde en lille genstand i en kæmpe prøve. Vi er nødt til at kombinere information fra AFM om fysiske egenskaber - form og størrelse - med information leveret af TIRF om, hvordan lys interagerer med prøven."

Kun én anden forskningsgruppe i USA, siger Flores, integrerer AFM og TIRF i et setup nøjagtigt det samme som Lehighs. At kombinere de to teknikker kræver opfindsomhed. For at opnå optimal fokus og belysning, Flores og hans kolleger har været nødt til at modificere prøvetrinnet og linserne i det optiske mikroskop.

"Vores overordnede mål er at finde og undersøge CNT'er og karakterisere deres egenskaber, så ingeniører kan finde applikationer til dem.

"Vi har endnu ikke billeder af CNT'er, men vi har lavet billeder af polyethylenperler med farvestoffer, der udsender lys ved forskellige bølgelængder.

"Så vi ved, at vores system fungerer."