Forskere opdager metode til måling af nanorør med større effektivitet

(Phys.org) – Et Rice University-laboratorium har fundet frem til en ensartet måde at måle partier af enkeltvæggede nanorør på, som lover at hjælpe forskere og industri med at gøre mere effektiv brug af det vidunderlige kulstofmateriale.

Nanorør dyrket i et enkelt parti kan variere i længde fra et par nanometer til tusinder af nanometer. Indtil nu, den eneste praktiske metode til måling af dem var ved billeddannelse med et dyrt atomkraftmikroskop (AFM).

Men med den nye teknik fra Rice lab af kemiker Bruce Weisman, afsløret i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano , forskere vil være i stand til at udføre disse analyser hurtigere og med mindre manuelt arbejde.

Slutproduktet er et histogram, der viser fordelingen af ​​længder i en batch af nanorør, der, individuelt, er 50, 000 gange tyndere end et menneskehår.

Det er lige den slags ting, forskere gerne vil vide, fordi selv i den skala, detaljerne tårner sig op. Når det bruges til at levere DNA-strenge eller lægemidler, for eksempel, enkeltvæggede kulstofnanorør, der er 200-300 nanometer lange, virker nemmest for celler at absorbere. Andre applikationer kræver længere nanorør, for eksempel, i højteknologiske kompositmaterialer til fly og rumfartøjer, der har brug for den styrke og belastningsoverførselseffektivitet, som længere rør giver.

Jason Streit, en kandidatstuderende og hovedforfatter af papiret, brugte to år på at udvikle en eksperimentel metode og billedbehandlingsalgoritme i stand til at udvælge og spore partier af nanorør, der flyder i opløsning i en lille brønd, omkring en millimeter på tværs og lidt mindre end to mikrometer dyb.

Den stærkt automatiserede teknik giver ham mulighed for at analysere batcher på omkring 800 nanorør på to timer.

"Den vigtigste måde at måle længder på har indtil nu været med AFM, " sagde han. "For det, du skal forberede en prøve, se på det under et mikroskop, sørg for, at forurenende stoffer er blevet fjernet, optag billeder og mål derefter længderne. Det kan tage timer og timer for de fleste arbejdere. "

Den nye proces, kaldet længdeanalyse ved nanorørdiffusion (LAND), er meget enklere. Selvom det kun observerer halvledende enkeltvæggede nanorør, som er naturligt fluorescerende ved nær-infrarøde bølgelængder, det skal hjælpe forskere med at forenkle karakteriseringen af ​​nanorør-batches.

"Forskellige længder har forskellige værktøjer og funktioner i applikationer, " sagde Weisman, en professor i kemi og en pioner inden for videnskaben om nanorørsfluorescens. "Nogle applikationer har brug for en vis kort længde, mens der er andre, hvor længere er bedre. Og pt. nanorørs længdefordelinger er dårligt kontrolleret.

"Så et mål er at få mere kontrol over længderne af dine nanorør, og for at gøre det skal du udvikle separationsmetoder. At udvikle adskillelsesmetoder, du har brug for gode karakteriseringsværktøjer."

Medforfatter Sergei Bachilo, en forsker ved Rice, sammenlignede behovet for forskellige størrelser nanorør med en skobutik, hvor en størrelse bestemt ikke passer til alle. "Det ville ikke fungere særlig godt, hvis butikken kun havde sko i gennemsnitsstørrelsen, " han sagde.

Som støv i en lysstråle, nanorør i et flydende miljø bevæger sig rundt på grund af brunisk bevægelse. Det er den iboende bevægelse, der afslører deres længder. Så Streit tager video. De resulterende film ligner et felt af stjerner, der blinker og vandrer på nattehimlen, but from those frames he is able to extract trajectories that tell him how long each individually tracked nanotube is. The software also automatically compiles the statistical data to make the histogram.

Some special computations are necessary to account for nanotubes that show "fragmented trajectories, " when a tube disappears behind another or leaves the field of view for a few frames.

The shorter nanotubes (below a few dozen nanometers in length) are hard to capture on video. "They're dimmer, and they move faster, so sometimes they're just a blur, " Weisman said. "One of the tricks Jason uses is to make the liquid in which they're moving more viscous" simply by adding a special sugar. "That slows them down enough to give us a better view.

"We hope that this will be a valuable tool for basic and applied research, " Weisman said. "Right in our laboratory, we're already doing basic photophysical studies in which this method plays a crucial part.

"Diagnostics that are slow and cumbersome just don't get used, " he said. "That's simply the truth. And when you convert to a method that's fast and easy, people will use it a lot more. It not only speeds things up, it leads scientists into activities they never would have undertaken before.

"This is going to be an important method for a lot of what we do around here, and hopefully for other labs as well, " Weisman said.