De geheimen achter de mysterieuze elektromagnetische "hotspots" van nanoformaat die onder een lamp op metalen oppervlakken verschijnen, worden eindelijk onthuld met behulp van een BEEST. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het DOE hebben een beeldvormingstechnologie met één molecuul ontwikkeld, genaamd de Brownian Emitter Adsorption Super-resolution Technique (BEAST), waardoor het voor het eerst mogelijk is om het elektromagnetische veld in een hotspot direct te meten. De resultaten zijn veelbelovend voor een aantal technologieën, waaronder zonne-energie en chemische detectie.

"Met onze BEAST-methode, we waren in staat om het elektromagnetische veldprofiel binnen een enkele hotspot in kaart te brengen als
klein als 15 nanometer met een nauwkeurigheid tot 1,2 nanometer, in slechts een paar minuten, " zegt Xiang Zhang,
een hoofdonderzoeker bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Ernest S. Kuh Endowed Chaired Professor aan de University of California (UC), Berkeley. "We ontdekten dat het veld zeer gelokaliseerd is en in tegenstelling tot een typisch elektromagnetisch veld, plant zich niet voort door de ruimte. Het veld heeft ook een exponentiële vorm die steil oploopt tot een piek en dan heel snel vervalt."

Zhang, die het Center for Scalable and Integrated NanoManufacturing (SINAM) leidt, een National Science Foundation Nano-schaal Science and Engineering Center aan UC Berkeley, is de corresponderende auteur van een artikel over dit onderzoek dat in het tijdschrift verschijnt Natuur onder de titel "De verdeling van het elektromagnetische veld in een 15 nm grote hotspot in kaart brengen door middel van Single Molecule Imaging." Co-auteur van het artikel met Zhang waren Hu Cang, Anna Labno, Changgui Lu, Xiaobo Yin, Ming Liu en Christopher Gladden.

Onder optische verlichting, ruwe metalen oppervlakken worden bezaaid met microscopisch kleine hotspots, waar het licht sterk is opgesloten in gebieden met een diameter van tientallen nanometers, en de Raman (inelastische) verstrooiing van het licht wordt tot 14 ordes van grootte versterkt. Meer dan 30 jaar geleden voor het eerst waargenomen, dergelijke hotspots zijn in verband gebracht met de impact van oppervlakteruwheid op plasmonen (elektronische oppervlaktegolven) en andere gelokaliseerde elektromagnetische modi.
Echter, gedurende de laatste drie decennia, er is weinig geleerd over de oorsprong van deze hotspots.

"Verbazingwekkend, ondanks duizenden artikelen over dit probleem en verschillende theorieën, we zijn de eersten die experimenteel de aard van het elektromagnetische veld in zulke hotspots van nanoformaat hebben bepaald, " zegt Hu Cang, hoofdauteur op de Natuur paper en een lid van de onderzoeksgroep van Zhang. "De hotspot van 15 nanometer die we hebben gemeten, is ongeveer zo groot als een eiwitmolecuul. We denken dat er hotspots zijn die zelfs kleiner kunnen zijn dan een molecuul."

Omdat de grootte van deze metalen hotspots veel kleiner is dan de golflengte van invallend licht, er was een nieuwe techniek nodig om het elektromagnetische veld binnen een hotspot in kaart te brengen. De onderzoekers van Berkeley ontwikkelden de BEAST-methode om te profiteren van het feit dat individuele fluorescerende kleurstofmoleculen kunnen worden gelokaliseerd met een nauwkeurigheid van enkele nanometers. De fluorescentie-intensiteit van individuele moleculen die aan het oppervlak zijn geadsorbeerd, geeft een directe meting van het elektromagnetische veld binnen een enkele hotspot. BEAST gebruikt de Brownse beweging van enkele kleurstofmoleculen in een oplossing om de kleurstoffen stochastisch de binnenkant van een enkele hotspot te laten scannen, één molecuul tegelijk.

"De exponentiële vorm die we vonden voor het elektromagnetische veld in een hotspot is direct bewijs voor het bestaan ​​van een gelokaliseerd elektromagnetisch veld, in tegenstelling tot de meer gebruikelijke vorm van Gauss-verdeling, " zegt Cang. "Er zijn verschillende concurrerende mechanismen voorgesteld voor hotspots en we werken nu aan het verder onderzoeken van deze fundamentele mechanismen."

BEAST begint met het onderdompelen van een monster in een
oplossing van vrij diffunderende fluorescerende kleurstof. Aangezien de diffusie van de kleurstof veel sneller is dan de beeldacquisitietijd (0,1 milliseconden versus 50 tot 100 milliseconden), de fluorescentie produceert een homogene achtergrond. Wanneer een kleurstofmolecuul wordt geadsorbeerd op het oppervlak van een hotspot, het verschijnt als een lichtpuntje in afbeeldingen, met de intensiteit van de plek die de lokale veldsterkte rapporteert.

"Door een maximale waarschijnlijkheidsmethode voor lokalisatie van één molecuul te gebruiken, het molecuul kan worden gelokaliseerd met een nauwkeurigheid van enkele nanometer, " zegt Zhang. "Nadat het kleurstofmolecuul is gebleekt (meestal binnen honderden milliseconden), de fluorescentie verdwijnt en de hotspot is klaar voor de volgende adsorptiegebeurtenis."

Het kiezen van de juiste concentratie van de kleurstofmoleculen maakt de adsorptiesnelheid op het oppervlak van een hotspot mogelijk
zodanig worden geregeld dat slechts één geadsorbeerd molecuul tegelijk fotonen uitzendt. Omdat BEAST een camera gebruikt om de adsorptiegebeurtenissen van één molecuul vast te leggen, meerdere hotspots binnen een gezichtsveld van maximaal één vierkante millimeter kunnen parallel worden afgebeeld.

In hun krant Zhang en zijn collega's zien dat hotspots worden ingezet in een breed scala aan toepassingen, te beginnen met het maken van zeer efficiënte zonnecellen en apparaten die zwakke chemische signalen kunnen detecteren.

"Een hotspot is als een lens die licht kan focussen op een kleine plek met een scherpstelvermogen dat veel verder gaat dan conventionele optica, ", zegt Cang. "Terwijl een conventionele lens het licht slechts kan focussen op een plek met ongeveer de helft van de golflengte van zichtbaar licht (ongeveer 200-300 nanometer), we bevestigen nu dat een hotspot licht kan focussen op een plek ter grootte van een nanometer."

Door deze uitzonderlijke scherpstelkracht, hotspots kunnen worden gebruikt om zonlicht te concentreren op de fotokatalytische locaties van zonne-energieapparaten, waardoor de efficiëntie van het oogsten van licht en het splitsen van water wordt gemaximaliseerd. Voor de detectie van zwakke chemische signalen, bijv. van een single
molecuul, een hotspot kan worden gebruikt om invallend licht te focussen, zodat het alleen het betreffende molecuul verlicht, waardoor het signaal wordt verbeterd en de achtergrond wordt geminimaliseerd.

BEAST maakt het ook mogelijk om het gedrag van licht te bestuderen terwijl het door een nanomateriaal gaat, een kritische factor voor de toekomstige ontwikkeling van nano-optica en metamateriaalapparaten. De huidige experimentele technieken hebben een beperkte resolutie en zijn moeilijk te implementeren op echte nanoschaal.

"BEAST biedt een ongekende mogelijkheid om te meten hoe een nanomateriaal de lichtverdeling verandert, die de ontwikkeling van geavanceerde nano-optica-apparaten zal leiden, ", zegt Cang. "We zullen BEAST ook gebruiken om een ​​aantal uitdagende problemen in de oppervlaktewetenschap te beantwoorden, zoals waar en wat zijn de actieve plaatsen in een katalysator, hoe de energie of ladingen worden overgedragen tussen moleculen en een nanomateriaal, en wat de hydrofobiciteit van het oppervlak bepaalt. Deze problemen vereisen een techniek met resolutie op elektronenmicroscopieniveau en optische spectroscopie-informatie. BEAST is een perfect hulpmiddel voor deze problemen."