Koolstofnanobuisjes zullen naar verwachting worden gebruikt in een groot aantal toepassingen, variërend van militaire beschermende kleding tot waterstofopslag. Door hun nanometerafmetingen, echter, de structuur en oppervlaktechemie van individuele koolstofnanobuisjes kunnen niet gemakkelijk worden bestudeerd met conventionele technieken. Norihiko Hayazawa en collega's van het Near Field NanoPhotonics Research Team van het RIKEN Center for Advanced Photonics hebben nu een microscopietechniek met hoge resolutie ontwikkeld die individuele koolstofnanobuisjes onder omgevingsomstandigheden kan oplossen.

Raman-spectroscopie wordt veel gebruikt om de eigenschappen van materialen met hoge precisie te onderzoeken. Het omvat het exciteren van het materiaaloppervlak met een laser en vervolgens het meten van de verandering in laserenergie nadat het van het oppervlak is verstrooid. Tip-enhanced Raman-spectroscopie (TERS) wordt gebruikt om een ​​moleculaire resolutie te bereiken door een metalen tip over het materiaaloppervlak te laten gaan om de Raman-signalen van nabijgelegen moleculen te versterken. TERS met behulp van een atomaire krachtmicroscoop (AFM)-punt is in staat om tegelijkertijd de structuur en oppervlaktechemie van materialen te beoordelen met een resolutie van ongeveer 10-20 nanometer - ver onder de diffractielimiet van conventionele optische microscopen.

Het is onlangs aangetoond dat het vervangen van de AFM-tip door een scanning tunneling microscope (STM)-tip de resolutie van de techniek drastisch verbetert. De positie van de metalen STM-tip kan nauwkeuriger worden gecontroleerd dan die van een AFM, waardoor het mogelijk is om een ​​materiaal te scannen met een opening tussen de punt en het oppervlak van minder dan 1 nanometer. Sterke koppeling tussen elektronische resonanties genaamd 'plasmonen' van de punt en het materiaaloppervlak over deze smalle opening in STM-TERS verbetert de resolutie van de techniek verder (figuur 1).

"Met ons STM-TERS-systeem, we hebben een resolutie van 1,7 nanometer bereikt, wat betekent dat koolstofnanobuisjes kunnen worden gevisualiseerd op de afmetingen van hun diameter, " legt Hayazawa uit. "Dit maakt het voor het eerst mogelijk om de lokale eigenschap van de koolstofnanobuisjes optisch te extraheren zonder middeling."

Terwijl eerdere op STM gebaseerde technieken en STM-TERS-methoden op nanoschaal cryogene temperaturen en ultrahoge vacuüms vereisten, de STM-TERS-techniek ontwikkeld door Hayazawa's team kan worden gebruikt met een compacte kamer bij omgevingsdruk en temperatuur. Dit verbreedt het scala aan materialen dat kan worden gesondeerd aanzienlijk. "DNA sequentie, eiwitdynamica op biologische membranen, en organische zonnecellen vereisen allemaal omgevingsomstandigheden, " legt Hayazawa uit.

Naast het gebruik van de techniek om andere materialen met ultrahoge resolutie te onderzoeken, de onderzoekers hopen eerder onontdekte fysische eigenschappen van koolstofnanobuisjes te kunnen onthullen.