(PhysOrg.com) - När han skräddarsyr ett av världens bästa bildinstrument för att ta itu med en av vetenskapens mest förbryllande utmaningar, Tom Flores känns som att han spelar ett mikroskopiskt spel Where's Waldo.

I barnböckerna av Martin Handford, läsare tittar på illustrationer fullproppade med hundratals människor för att söka efter Waldo och hans röd-vit-randiga skjorta.

Flores, en junior inriktning fysik, är på jakt efter något mer svårfångat — det lilla kolnanoröret.

Kolnanorör mäter 1 till 5 nanometer i diameter. En nanometer är en miljarddels meter, eller mellan en tiotusendel och en hundra tusendels tjocklek av ett människohår.

Med oöverträffad styrka, styvhet och hårdhet, och längd-till-diameter-förhållanden på så mycket som miljoner till ett, CNT har potential inom medicin, energi och många andra applikationer.

Men deras oändliga storlek gör det svårt att hitta och observera CNT. Medan Waldo gömmer sig bakom människor, CNT:er gömmer sig bland gupp, nicks, dammfläckar och andra defekter på ett objektglas. De avslöjar sin närvaro genom att sända ut infrarött ljus när en ljuskälla riktas mot dem.

Ett ultratunt fokusplan

Flores började studera CNT förra våren med Slava Rotkin, docent i fysik, och fortsatte förra sommaren i fysikavdelningens Research Experience for Bachelor-program. Finansieras av National Science Foundation, programmet gör det möjligt för studenter att göra en 10-veckors betald praktik tillsammans med en fakultetsmedlem.

Lehighs REU-program, med mer än två decennier av NSF-finansiering, är en av landets äldsta. Under de senaste fem åren, i genomsnitt 25 till 28 elever, ungefär en tredjedel från Lehigh, har deltagit i praktiken.

Flores och två doktorander – Massooma Pirbhai och Tetyana Ignatova – studerar CNT med ett skräddarsytt NTEGRA-spektra som nyligen förvärvades av Rotkin och Richard Vinci, professor i materialvetenskap och teknik. Instrumentet parar ett optiskt mikroskop med ett atomkraftsmikroskop (AFM), vars nålliknande sond skannar en yta och registrerar dess topografiska egenskaper.

Flores och hans kollegor kombinerar AFM med en optisk bildteknik som kallas total intern reflektionsfluorescens.

"TIRF är en form av fotoluminescens, säger Flores. "Du exciterar ett föremål så att det avger ljus, som ger information om objektet och dess egenskaper.

"TIRF kan excitera ett föremål i ett extremt tunt plan. Vi studerar enkelväggiga CNT, som är 1 nm i diameter. Vårt fokusplan måste vara mycket tunt; om inte, vi får luminescens från föroreningar nära vårt prov."

En unik integration av mikroskopitekniker

Flores använder AFM-probspetsen för att lokalisera positionen för CNT på ett prov.

”Vi tar fram en AFM topografisk bild som visar oss var vi behöver fokusera. Upplösningen för den bilden begränsas endast av spetsens diameter. Detta är mycket bättre än vad du kan göra med en optisk sond.

"Vårt projekt är som ett spel Where's Waldo. Vi försöker hitta ett litet föremål i ett jättelikt prov. Vi måste kombinera information från AFM om fysiska egenskaper – form och storlek – med information från TIRF om hur ljus interagerar med provet.”

Endast en annan forskargrupp i USA, säger Flores, integrerar AFM och TIRF i en uppställning exakt samma som Lehighs. Att kombinera de två teknikerna kräver fyndighet. För att uppnå optimal fokus och belysning, Flores och hans kollegor har varit tvungna att modifiera provstadiet och linserna i det optiska mikroskopet.

"Vårt övergripande mål är att hitta och undersöka CNT och karakterisera deras egenskaper så att ingenjörer kan hitta applikationer för dem.

"Vi har inga bilder av CNT än, men vi har tagit fram bilder av polyetenpärlor med färgämnen som avger ljus vid olika våglängder.

"Så vi vet att vårt system fungerar."