Wetenschappers van Rice University hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om tegelijkertijd een veld van plasmonische nanodeeltjes te bekijken om te leren hoe hun verschillen hun reactiviteit veranderen.

Hun nieuwe methode heet snapshot hyperspectral imaging (SHI), die tot nu toe voornamelijk in de astronomie is gebruikt. Met SHI kunnen onderzoekers minieme verschillen zien tussen verder identieke nanodeeltjes en zien hoe ze reageren op licht en veranderingen in de omgeving.

De techniek kan industrieën helpen bij het verfijnen van producten zoals plasmonische katalysatoren voor petrochemische verwerking, door licht getriggerde nanodeeltjes voor de behandeling van kanker, zonnecellen en micro-elektronica.

SHI wordt gedetailleerd beschreven in het document van de American Chemical Society Journal of Physical Chemistry . Het is ontwikkeld door de Rice-labs van Stephan Link en Christy Landes, beide hoogleraren scheikunde en computer- en elektrotechniek.

Plasmonen zijn de gecoördineerde oscillatie van elektronen in metalen die wordt veroorzaakt door licht. Plasmonische nanodeeltjes zijn kristallen van nanometerformaat die licht absorberen en er buitengewoon gevoelig op reageren. Omdat hun grootte, vorm, samenstelling en lokale omgeving hebben allemaal invloed op hun eigenschappen, plasmonische nanodeeltjes kunnen worden afgestemd op een breed scala aan toepassingen.

Onderzoekers die plasmonische deeltjes maken en bestuderen, willen over het algemeen hun reactiviteit weten en beheersen, het is dus cruciaal om veel individuele deeltjes tegelijk te kunnen bestuderen met de beste resolutie van tijd, ruimte en energie mogelijk.

Tot nu, het verkrijgen van al die gegevens was een uitdagend proces voor afzonderlijke deeltjes en onmogelijk om in realtime te doen.

De nieuwe methode vereenvoudigt deze uitdaging door nieuwe hardware op te nemen en twee analyses tegelijk uit te voeren:deeltjeslokalisatie en spectroscopie. "Het meten van reacties op heterogene monsters is moeilijk, "Zei Landes. "Je wilt intieme details over hoe het oppervlak van een deeltje, vorm en grootte beïnvloeden de reactiviteit, maar als je eenmaal naar een ander deeltje in het monster gaat kijken met dat detailniveau, het is te laat! Er is al gereageerd."

"De truc hier is om snapshots te maken van veel deeltjes terwijl we ook spectrale informatie verzamelen, " zei Link. "In combinatie, ze geven details met een tijdsresolutie van milliseconden over veel deeltjes terwijl ze reageren. We hoeven de reactie niet opnieuw te beginnen om zinvolle statistieken te krijgen."

SHI richt een microscoop, een paar camerasystemen, een breedspectrum supercontinuum laser en een diffractierooster om meerdere datastromen over de doeldeeltjes in een oogwenk te synchroniseren. Het koppelt ruimtelijke informatie aan spectrale emissies en lost golflengten van licht op tot ongeveer een vijfde van een nanometer. De spectrale beelden hebben een signaal-ruisverhouding van meer dan 100-tegen-1 voor geordende arrays. Voor willekeurige arrays met overlappende spectra, de verhouding is ongeveer 20-tegen-1.

"Als je een monster van nanodeeltjes maakt, je krijgt geen deeltjes met precies dezelfde grootte en vorm, " Co-auteur en afgestudeerde student Benjamin Hoener zei. "Je eindigt met deeltjes met defecte locaties, enigszins verschillende vormen en kristalstructuren waardoor ze licht en moleculen op hun oppervlak een beetje anders absorberen."

Een momentopname die de kleur en intensiteit van elk deeltje laat zien, kan die verschillen duidelijk maken. "Daaruit kunnen we belangrijke informatie krijgen over hun elektrochemische en optische eigenschappen, ", zegt postdoctoraal onderzoeker en co-auteur Sean Collins.

Mede-hoofdauteur en afgestudeerde student Kyle Smith zei dat SHI gegevens in een duizendste van een seconde vastlegt. "Processen in deze deeltjes gaan heel snel, en ze zijn moeilijk te controleren, " zei hij. "We waren in staat om kinetische processen waar te nemen die op deze tijdschaal niet waren waargenomen."

Het systeem stelt onderzoekers ook in staat om een ​​idee te krijgen van wat er rond individuele deeltjes gebeurt, zei Hoener. "Omdat ze ook gevoelig zijn voor de lokale omgeving, we kunnen volgen wanneer elektrochemische reacties plaatsvinden op een enkel deeltje, bij welke (elektrische) potentiaal die reacties plaatsvinden en vergelijk ze om te zien waardoor dit proces bij het ene deeltje sneller verloopt dan bij het andere, " hij zei.

Om het systeem te testen, de onderzoekers maten willekeurig afgezette gouden nanodeeltjes en verzamelden tot 20 gelijktijdige spectra met een uitstekende resolutie. In toekomstige testen, ze verwachten dat versies van SHI met meer geavanceerde camerasensoren gelijktijdig spectra van maximaal 500 individuele gouddeeltjes zullen vastleggen. Ze hopen SHI te verbeteren om spectroscopische beeldvorming van nanodeeltjes mogelijk te maken terwijl ze groeien uit niet-detecteerbare zaden.