Mindre er bedre til nanorøranalyse

I et godt eksempel på "less is more, "Rice University-forskere har udviklet en kraftfuld metode til at analysere kulstofnanorør i opløsning.

Forskernes variansspektroskopi-teknik zoomer ind på små områder i fortyndede nanorøropløsninger for at tage hurtige spektrale snapshots. Ved at analysere sammensætningen af ​​nanorør i hvert snapshot og sammenligne ligheder og forskelle over et par tusinde snapshots, forskerne får ny information om typerne, antal og egenskaber af nanopartiklerne i opløsningen.

Processen er detaljeret beskrevet i et open-access papir i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters denne måned.

Riskemiker Bruce Weisman, en pioner inden for spektroskopi, der førte opdagelsen og fortolkningen af ​​nær-infrarød fluorescens fra halvledende kulstof nanorør, forventer, at variansspektroskopi bliver et værdifuldt værktøj for forskere, der studerer materialer i nanoskala.

Carbon nanorør er hule cylindre af rent kulstof, der typisk dyrkes i en ovn. Der er snesevis af forskellige typer nanorør, og de fysiske egenskaber og potentielle anvendelser varierer for hver type. Der er endnu ingen praktisk måde at dyrke en type på, så de skal ofte sorteres efter fysiske eller kemiske midler. Weisman sagde, at variansspektroskopi kunne hjælpe med at karakterisere nanorørprøver i det igangværende drev til at sortere og adskille specifikke typer til elektroniske og optiske applikationer.

Weisman-laboratoriet testede sin brugerdefinerede rig på spredte prøver af enkeltvæggede kulstofnanorør dyrket på Rice. Forskerne fangede fluorescensspektre fra nogle få tusinde forskellige små områder. Statistiske variationer blandt disse spektre afslørede antallet af nanorør af forskellige typer og hvor stærkt hver type udsender lys. Yderligere dataanalyse gav "dissektionerede" spektre af hver type, fri for interferens fra andre i den blandede prøve.

"Når vi fokuserer vores opmærksomhed på mindre og mindre mængder af prøven, gennemsnittet, ensartet adfærd, du ser på den makroskopiske skala, begynder at bryde sammen, og vi ser virkninger fra stoffets partikelform, " han sagde.

"På det tidspunkt, der er tilfældige udsving i antallet af partikler inden for det observerede volumen. Det, vi gør, er at analysere de resulterende tilfældige fluktuationer i spektrene for at lære om, hvor mange partikler af hver type der er til stede, og om de er aggregeret med hinanden.

"En analogi kan være at se på fans på et fodboldstadion, der bærer deres holds farver, " sagde Weisman. "Hvis du står langt tilbage og ser på hele mængden, alt du kan regne ud er det samlede forhold mellem Rice-fans og Texas-fans. Men hvis du zoomer ind og analyserer række for række, du kommer til at se klynger af Rice-fans og klynger af Texas-fans og lære, hvordan hver gruppe samler sig. Det giver dig ekstra indsigt om mængden, som du aldrig kunne få fra den store udsigt.

"Det er det samme med nanorør, " sagde han. "Vi ser på en prøve, der har en række forskellige strukturer og lærer mere om egenskaberne af individuelle komponenter. Det er en spektroskopisk dissektion af en kompleks blanding for at få information, der ville være meget vanskeligere at få med en anden metode. "

Weisman sagde, at teknikken også hjælper med at løse nanorørs irriterende tendens til at klumpe sig sammen. "Når du prøver at bruge en separationsmetode til at sortere dem fra, du kan ikke gøre det effektivt, hvis de hænger sammen, " sagde Weisman. "Hvis du vil have type A, og de holder sig til type B, så spilder du din adskillelsesindsats. Men variansspektroskopi giver en meget følsom måde at fortælle, om partikler af forskellige typer faktisk rejser sammen."

Weisman forventer, at variansspektroskopi kan udvides til at analysere mange nanoskala materialer, som guld nanopartikler og kvanteprikker, ved hjælp af forskellige spektroskopiske prober. "Når du laver nanomaterialer, der er generelt en vis variation i partikelstørrelser, der giver en tilsvarende variation i de spektrale egenskaber, " sagde han. "Vores variansmetode kan bruges med sådanne systemer til at tage et kig indad."