(Phys.org) - Manieren vinden om te zien, positie, meeteenheid, en nauwkeurig manipuleren van objecten op nanoschaal is een voortdurende uitdaging voor onderzoekers die de volgende generatie ultracompacte elektronica ontwikkelen, sensoren en optische apparaten. Zelfs de meest geavanceerde conventionele microscopen worden beperkt door diffractie van de kortste golflengte van zichtbaar licht, ongeveer 400 nanometer, waardoor ze geen afbeeldingen of metingen van objecten kunnen produceren die aanzienlijk kleiner zijn dan deze drempel.

Onderzoekers proberen dit probleem op te lossen door gebruik te maken van 'reporting probes'. Een near-field scanning optische microscoop (NSOM), bijvoorbeeld, is uitgerust met een sonde bevestigd aan een fijnmechanische punt die een object op nanoschaal kan scannen en een beeld kan creëren op basis van het elektromagnetische veld dat het genereert. Maar NSOM's zijn complex, delicate en dure apparaten, en de aanwezigheid van de punt verstoort de interactie tussen de sonde en het monster, het beeld vervormen.

Een nieuwe studie door onderzoekers van de Universiteit van Maryland (UMD), gepubliceerd in de 5 februari, 2013 uitgave van het tijdschrift Nature Communications, beschrijft een nieuwe techniek voor beeldvorming ver onder de diffractielimiet door als optische sonde een deeltje te gebruiken dat veel kleiner is dan de golflengte van licht. Het deeltje wordt met hoge precisie gemanipuleerd met behulp van een goedkoop microfluïdisch apparaat. Dankzij de doorbraak konden de onderzoekers metingen op nanoschaal vastleggen met een ruimtelijke nauwkeurigheid van 12 nanometer.

Quantum Dots:nanoscopische schijnwerpers in een microscopisch kleine rivier

Een kwantumdot is een 3–6 nanometer groot, halfgeleidend deeltje ongeveer 25 keer de diameter van een enkel atoom. Op kamertemperatuur, quantum dots kunnen enkele fotonen licht uitzenden die kunnen worden afgestemd op een gewenste golflengte. Dit maakt ze ideale sondes voor het onderzoeken van nanostructuren die kleiner zijn dan de drempel voor zichtbaar licht. Dicht bij een object op nanoschaal geplaatst, de kwantumdot wordt een soort schijnwerper die versterkt wat de microscoop alleen niet kan zien.

Het probleem? Het is moeilijk om een ​​enkele kwantumdot over een ander object op nanoschaal te vangen en te scannen.

De oplossing van het UMD-team ligt in een microfluïdisch apparaat dat kwantumdots manipuleert en positioneert met behulp van nauwkeurige stroomregeling. Een computeralgoritme analyseert de stippen die erin zijn verspreid, het selecteren van een om de rapportage sonde te zijn. Omdat het microfluïdische apparaat een vloeistofstroom creëert, de gerichte stip begint te bewegen. Een beeldgestuurd feedbackproces volgt continu de locatie van de stip en past de stroom dienovereenkomstig aan. Bijvoorbeeld, als wordt waargenomen dat de stip zich ten noordwesten van de gewenste locatie bevindt, een zuidoostelijke stroom wordt gecreëerd om het op zijn plaats te verplaatsen.

Deze techniek geeft onderzoekers de mogelijkheid om een ​​enkele stip precies te manipuleren, het snel naar de gewenste locaties leiden, en houdt het in elke positie met nanometer-nauwkeurigheid, zodat het kan worden gebruikt om objecten te scannen. De reactie van de stip op elk gescand object wordt gemeten, het verstrekken van informatie over de elektromagnetische velden van het object met een resolutie op nanoschaal. Aangezien niets mechanisch de kwantumstip aanraakt of de interactie met de gescande objecten beïnvloedt, de geproduceerde beelden zijn vrij van vervorming, schoon en scherp.

een overste, Minder dure techniek

"Bij andere technieken voor het manipuleren van deeltjes, bijvoorbeeld een laserpincet, schaalt de kracht die op een deeltje wordt uitgeoefend met zijn volume, " legt Clark School of Engineering Prof. Benjamin Shapiro (Fischell Department of Bioengineering en het Institute for Systems Research) uit, een van de co-auteurs van het artikel. "Maar de viskeuze krachten die de vloeistofstroom uitoefent, schalen met de diameter van het deeltje. Op nanoschaal, vloeistofstroom heeft een groter effect op het deeltje dan concurrerende technieken, ons in staat stellen te bewegen, leiden en immobiliseren de quantum dot gemakkelijker en nauwkeuriger."

Naast zijn technische superioriteit, het nieuwe manipulatiesysteem op nanoschaal is veel goedkoper dan optische scanning microscopie in het nabije veld, waarvoor apparatuur nodig is die honderdduizenden dollars kost.

"De nieuwe techniek is veelzijdiger, gemakkelijker te implementeren, en nauwkeuriger in een orde van grootte dan conventionele nabije-veld scanning optische microscopie, " zegt Shapiro's collega, Prof. Edo Waks (Departement Elektrotechniek en Computertechniek en Instituut voor Onderzoek in Elektronica en Toegepaste Natuurkunde). "In principe, we kunnen een microscoop nemen, voeg een wegwerp microfluïdisch apparaat toe, en versla de mogelijkheden van een NSOM voor een fractie van de kosten en complexiteit.

"Een student zou het basis tweekanaals microfluïdische apparaat kunnen bouwen dat in het proces wordt gebruikt, met behulp van standaard zachte fabricagetechnieken, in minder dan een uur voor minder dan $ 50, " hij voegt toe.

Het UMD-team hoopt alle benodigde systeemcomponenten te verpakken in een goedkoop add-on-product voor microscopen.