Berekeningen zijn prima, maar zien is geloven. Dat is de gedachte achter een nieuw artikel van Rice University-studenten die besloten berekeningen uit te voeren die meer dan een eeuw geleden werden gemaakt.

1908, de Duitse natuurkundige Gustav Mie bedacht een elegante reeks vergelijkingen om de interactie van elektromagnetische golven met een bolvormig metaaldeeltje te beschrijven. De theorie is sindsdien een toetssteen geweest voor onderzoekers die willen kwantificeren hoe plasmonische deeltjes op nanoschaal straling verstrooien.

"De Mie-theorie wordt veel gebruikt wanneer je te maken hebt met nanodeeltjes en hun optische eigenschappen, " zei Alexei Tcherniak, een afgestudeerde Rice-student en hoofdauteur van het nieuwe artikel in de online editie van Nano-letters deze maand. "Dat is de basis van elke berekening."

Tcherniak en Stephan Link, een Rice-assistent-professor scheikunde en elektrische en computertechniek, co-auteur van het artikel met voormalig afgestudeerde student Ji Won Ha en huidige Rice-afgestudeerde studenten Liane Slaughter en Sergio Dominguez-Medina.

Een betere karakterisering van afzonderlijke nanodeeltjes is belangrijk voor onderzoekers die microscopische optische sensoren nastreven, subgolflengte "superlenzen, " katalyse en fotothermische kankertherapieën die nanodeeltjes gebruiken.

"Aangezien de technologie op weg is naar detectie van enkelvoudige deeltjes, we wilden zien of Mie's voorspellingen zouden standhouden, "Zei Tcherniak. "Gemiddelde eigenschappen vallen precies op de voorspellingen van de Mie-theorie. Maar we laten zien dat individuele deeltjes behoorlijk afwijken." Deeltjes die in grootte verschillen, kunnen vergelijkbare signalen terugsturen omdat ze in vorm en oriëntatie op het substraat variëren, waarmee ze ook omgaan. Mie's theorie, ontwikkeld voor bolvormige deeltjes in oplossing lang voor spectroscopie met enkelvoudige deeltjes, hield geen rekening met deze factoren.

Het project begon als een nevenactiviteit bij de poging van de studenten om enkele nanodeeltjes in oplossing te volgen. Het werd hun primaire focus toen ze de reikwijdte van de taak realiseerden, waarbij vijf sets gouddeeltjes werden geanalyseerd, variërend van 51 tot 237 nanometer breed - de "biologisch relevante" maten, Tcherniak uitgelegd.

Elke set deeltjes werd gefotografeerd met een scanning-elektronenmicroscoop en vervolgens geanalyseerd op zijn absorptie- en verstrooiingseigenschappen via fotothermische beeldvorming met enkelvoudige deeltjes en laser-donkerveldverstrooiing.

Het was vervelend, zij gaven toe.

"Als je een deeltje met een doorsnede van 50 nanometer moet vinden op een monster van 5 bij 5 millimeter, je zoekt een speld in een hooiberg, "Zei Tcherniak. Slaughter en Dominguez-Medina knikten instemmend en herinnerden zich een zomer van lange dagen die nodig was om enkele honderden deeltjes te categoriseren - genoeg "om al die punten op de grafiek te krijgen."

Ze gebruikten een aantal strategieën om deeltjes te lokaliseren. Een daarvan was om rastercoördinaten op micronschaal op het glasplaatje met nanodeeltjesmonsters te plaatsen. "Dat liet ons ongeveer weten waar ze waren, ' zei Tcherniak.

Een andere betrof het toepassen van een beetje astronomie op hun microscopie. Ze merkten dat ze op zoek waren naar 'sterrenbeelden' in de patronen van stippen. "We begonnen te zeggen, 'Oh, dat lijkt op een neus. Hebben we ergens anders een neus?'" Slaughter zei. "We waren zo moe; de namen misschien niet erg goed zijn geweest."

Maar hun resultaten zijn.

"De Mie-theorie bestond al lang voordat iemand iets wist over nanodeeltjes, dus het is leuk om het te kunnen testen, " zei Link over het werk van zijn studenten. "Dit is belangrijk omdat ze echt de bouwstenen hebben samengesteld waarmee wetenschappers naar complexere structuren kunnen kijken. Dit was geen gemakkelijke klus."