(PhysOrg.com) -- Terwijl hij een van 's werelds beste beeldvormingsinstrumenten op maat maakt om een ​​van de meest verbijsterende uitdagingen van de wetenschap aan te pakken, Tom Flores heeft het gevoel dat hij een microscopisch spelletje Where's Waldo speelt.

In de kinderboeken van Martin Handford, lezers verdiepen zich in illustraties vol met honderden mensen om Waldo en zijn kenmerkende rood-wit gestreepte overhemd te zoeken.

Floris, een junior met als hoofdvak natuurkunde, is op zoek naar iets ongrijpbaarders:de kleine koolstofnanobuis.

Koolstof nanobuisjes hebben een diameter van 1 tot 5 nanometer. Een nanometer is een miljardste van een meter, of tussen een tienduizendste en een honderdduizendste van de dikte van een mensenhaar.

Met ongeëvenaarde kracht, stijfheid en hardheid, en lengte-tot-diameter verhoudingen van wel miljoenen op één, CNT's hebben potentieel in de geneeskunde, energie en vele andere toepassingen.

Maar hun oneindig kleine formaat maakt het moeilijk om CNT's te vinden en te observeren. Terwijl Waldo zich achter mensen verschuilt, CNT's verbergen zich tussen hobbels, nicks, stofdeeltjes en andere onvolkomenheden op een objectglaasje. Ze onthullen hun aanwezigheid door infrarood licht uit te zenden wanneer er een lichtbron op wordt gericht.

Een ultradun focusvlak

Flores begon afgelopen voorjaar met het bestuderen van CNT's met Slava Rotkin, universitair hoofddocent natuurkunde, en ging afgelopen zomer verder in het programma Research Experience for Undergraduates van de afdeling natuurkunde. Gefinancierd door de National Science Foundation, het programma stelt studenten in staat om een ​​betaalde stage van 10 weken te doen naast een faculteitslid.

Lehigh's REU-programma, met meer dan twee decennia aan NSF-financiering, is een van de oudste van het land. In de afgelopen vijf jaar, gemiddeld 25 tot 28 studenten, ongeveer een derde van Lehigh, hebben deelgenomen aan de stage.

Flores en twee afgestudeerde studenten - Massooma Pirbhai en Tetyana Ignatova - bestuderen CNT's met een op maat gemaakte NTEGRA-Spectra die onlangs is aangeschaft door Rotkin en Richard Vinci, hoogleraar materiaalkunde en techniek. Het instrument combineert een optische microscoop met een atomaire-krachtmicroscoop (AFM), wiens naaldachtige sonde een oppervlak scant en de topografische kenmerken ervan vastlegt.

Flores en zijn collega's combineren AFM met een optische beeldvormingstechniek die totale interne reflectiefluorescentie wordt genoemd.

“TIRF is een vorm van fotoluminescentie, ', zegt Floris. “Je prikkelt een object zodat het licht afgeeft, die informatie geeft over het object en zijn eigenschappen.

“TIRF kan een object in een extreem dun vlak exciteren. We bestuderen enkelwandige CNT's, die een diameter van 1 nm hebben. Ons focusgebied moet erg dun zijn; als niet, we krijgen luminescentie van onzuiverheden in de buurt van ons monster."

Een unieke integratie van microscopietechnieken

Flores gebruikt de AFM-sondepunt om de positie van CNT's op een monster te lokaliseren.

“We maken een topografisch beeld van de AFM dat laat zien waar we ons op moeten richten. De resolutie van die afbeelding wordt alleen beperkt door de diameter van de punt. Dit is veel beter dan u kunt doen met een optische sonde.

“Ons project is als een spel van Where’s Waldo. We proberen een klein object te vinden in een gigantisch monster. We moeten informatie van de AFM over fysieke kenmerken - vorm en grootte - combineren met informatie van TIRF over hoe licht interageert met het monster."

Slechts één andere onderzoeksgroep in de VS, zegt Floris, integreert AFM en TIRF in een opstelling die precies hetzelfde is als die van Lehigh. Het combineren van de twee technieken vereist vindingrijkheid. Om optimale focus en verlichting te bereiken, Flores en zijn collega's hebben het monsterplatform en de lenzen van de optische microscoop moeten aanpassen.

"Ons algemene doel is om CNT's te vinden en te onderzoeken en hun eigenschappen te karakteriseren, zodat ingenieurs er toepassingen voor kunnen vinden.

"We hebben nog geen afbeeldingen van CNT's, maar we hebben afbeeldingen gemaakt van polyethyleenkralen met kleurstoffen die licht uitstralen op verschillende golflengten.

"Dus we weten dat ons systeem werkt."