In een goed voorbeeld van "less is more, " Wetenschappers van Rice University hebben een krachtige methode ontwikkeld om koolstofnanobuisjes in oplossing te analyseren.

De variantiespectroscopietechniek van de onderzoekers zoomt in op kleine regio's in verdunde nanobuisoplossingen om snelle spectrale snapshots te maken. Door de samenstelling van nanobuisjes in elke snapshot te analyseren en de overeenkomsten en verschillen te vergelijken over een paar duizend snapshots, de onderzoekers krijgen nieuwe informatie over de soorten, aantallen en eigenschappen van de nanodeeltjes in de oplossing.

Het proces wordt gedetailleerd beschreven in een open-access paper in de American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters deze maand.

Rijstchemicus Bruce Weisman, een pionier op het gebied van spectroscopie die de ontdekking en interpretatie leidde van nabij-infraroodfluorescentie van halfgeleidende koolstofnanobuizen, verwacht dat variantiespectroscopie een waardevol hulpmiddel zal worden voor onderzoekers die materialen op nanoschaal bestuderen.

Koolstofnanobuisjes zijn holle cilinders van zuivere koolstof die typisch in een oven worden gekweekt. Er zijn tientallen verschillende soorten nanobuisjes en de fysieke eigenschappen en mogelijke toepassingen variëren voor elk type. Er is nog geen praktische manier om slechts één type te kweken, dus moeten ze vaak worden gesorteerd met fysieke of chemische middelen. Weisman zei dat variantiespectroscopie kan helpen bij het karakteriseren van nanobuismonsters in de voortdurende zoektocht naar het sorteren en scheiden van specifieke typen voor elektronische en optische toepassingen.

Het Weisman-lab testte zijn op maat gemaakte rig op verspreide monsters van enkelwandige koolstofnanobuisjes die in Rice waren gekweekt. De onderzoekers legden fluorescentiespectra vast van een paar duizend verschillende kleine regio's. Statistische variaties tussen deze spectra onthulden het aantal nanobuisjes van verschillende typen en hoe sterk elk type licht uitstraalt. Verdere data-analyse gaf "ontleed" spectra van elk type, vrij van interferentie van anderen in het mengmonster.

"Terwijl we onze aandacht richten op kleinere en kleinere volumes van het monster, de uitgemiddelde, uniform gedrag dat je op macroscopische schaal ziet, begint af te breken, en we zien effecten van de deeltjesaard van materie, " hij zei.

"Op dat punt, er zijn willekeurige fluctuaties in het aantal deeltjes binnen het waargenomen volume. Wat we doen is de resulterende willekeurige fluctuaties in spectra analyseren om te leren hoeveel deeltjes van elk type aanwezig zijn en of ze met elkaar zijn geaggregeerd.

"Een analogie zou kunnen zijn kijken naar fans in een voetbalstadion die de kleuren van hun team dragen, "Zei Weisman. "Als je ver naar achteren gaat staan ​​en naar de hele menigte kijkt, alles wat je kunt achterhalen is de algehele verhouding tussen Rice-fans en Texas-fans. Maar als je inzoomt en rij voor rij analyseert, je zult clusters van Rice-fans en clusters van Texas-fans zien en leren hoe elke groep samenkomt. Dat geeft je extra inzichten over de menigte die je vanuit het grote uitzicht nooit zou kunnen krijgen.

"Het is vergelijkbaar met nanobuisjes, " zei hij. "We bekijken een monster met een verscheidenheid aan structuren en leren meer over de eigenschappen van individuele componenten. Het is een spectroscopische dissectie van een complex mengsel om informatie te krijgen die met een andere methode veel moeilijker te verkrijgen zou zijn."

Weisman zei dat de techniek ook helpt bij het aanpakken van de vervelende neiging van nanobuisjes om samen te klonteren. "Als je een scheidingsmethode probeert te gebruiken om ze op te lossen, je kunt het niet effectief doen als ze aan elkaar vast zitten, "Zei Weisman. "Als je type A wilt en ze zitten vast aan type B, dan verspil je je scheidingsinspanning. Maar variantiespectroscopie biedt een zeer gevoelige manier om te bepalen of deeltjes van verschillende typen daadwerkelijk samen reizen."

Weisman verwacht dat variantiespectroscopie kan worden uitgebreid om veel materialen op nanoschaal te analyseren, zoals gouden nanodeeltjes en kwantumstippen, met behulp van verschillende spectroscopische sondes. "Als je nanomaterialen maakt, er is over het algemeen enige variatie in deeltjesgrootte die een overeenkomstige variatie in de spectrale eigenschappen geeft, " zei hij. "Onze variantiemethode kan met dergelijke systemen worden gebruikt om binnen te kijken."