Om nanovetenskap vore tv, vi skulle vara på 1950-talet. Även om forskare kan tillverka och manipulera objekt i nanoskala med allt mer fantastisk kontroll, de är begränsade till svartvita bilder för att undersöka dessa objekt. Information om kemi i nanoskala och interaktioner med ljus - atommikroskopin som motsvarar färg - är lockande utom räckhåll för alla utom de mest ihärdiga forskarna.

Men det kan allt förändras med introduktionen av ett nytt mikroskopiverktyg från forskare vid Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) som levererar utsökta kemiska detaljer med en upplösning som en gång troddes omöjlig. Teamet utvecklade sitt verktyg för att undersöka sol-till-elektrisk energiomvandling på dess mest grundläggande nivå, men deras uppfinning lovar att avslöja nya världar av data för forskare inom alla områden av nanovetenskap.

"Vi har hittat ett sätt att kombinera fördelarna med skannings-/sondmikroskopi med fördelarna med optisk spektroskopi, " säger Alex Weber-Bargioni, en vetenskapsman vid Molecular Foundry, ett DOE nanovetenskapscenter vid Berkeley Lab. "Nu har vi ett sätt att faktiskt titta på kemiska och optiska processer på nanoskala där de sker."

Weber-Bargioni är motsvarande författare till en artikel som rapporterar denna forskning, publiceras i Vetenskap . Tidningen heter, "Karta lokal laddningsrekombinationsheterogenitet genom multidimensionell nanospektroskopisk avbildning." Medförfattare till tidningen är Wei Bao, Mauro Meli, Frank Ogletree, Shaul Aloni, Jeffrey Bokor, Stephano Cabrini, Miquel Salmeron, Eli Yablonovitch, och James Schuck från Berkeley Lab; Marco Staffaroni från University of California, Berkeley; Hyuck Choo från Caltech; och deras kollegor i Italien, Niccolo Caselli, Francesco Riboli, Diederik Wiersma, och Francesca Intoni.

"Om du vill karakterisera material, särskilt nanomaterial, hur det traditionellt har gjorts är med elektronmikroskoper och skannings-/sondmikroskoper eftersom de ger dig riktigt hög, subatomär rumslig upplösning, " säger medförfattaren James Schuck, en nanooptikforskare vid Molecular Foundry. "Tyvärr, det de inte ger dig är kemiskt, information på molekylär nivå."

För kemisk information, forskare vänder sig vanligtvis till optisk eller vibrationsspektroskopi. Hur ett material interagerar med ljus dikteras till stor del av dess kemiska sammansättning, men för nanovetenskap är problemet med att göra optisk spektroskopi i relevanta skalor diffraktionsgränsen, som säger att du inte kan fokusera ljus ner till en punkt som är mindre än ungefär halva dess våglängd, på grund av ljusets vågnatur.

För att komma runt diffraktionsgränsen, forskare använder "närfältsljus". Till skillnad från ljuset vi kan se, närfältsljus avtar exponentiellt bort från ett föremål, gör det svårt att mäta, men den innehåller mycket hög upplösning – mycket högre än normalt, fjärrfältsljus.

säger Schuck, "Den verkliga utmaningen för närfältsoptik, och en av de stora framgångarna i denna tidning, är att skapa en enhet som fungerar som en omvandlare av fjärrfältsljus till närfältsljus. Vi kan pressa ner det och få mycket förstärkta lokala fält som kan interagera med materia. Vi kan sedan samla in alla fotoner som sprids eller emitteras på grund av denna interaktion, samla in all denna rumsliga frekvensinformation i närfältet och förvandla den tillbaka till spridning, fjärrljus."

Tricket för den omvandlingen är att använda ytplasmoner:kollektiva oscillationer av elektroner som kan interagera med fotoner. Plasmoner på två ytor åtskilda av ett litet gap kan samla och förstärka det optiska fältet i gapet, ger en starkare signal för forskare att mäta.

Forskare har utnyttjat dessa effekter för att göra närfältssonder med en mängd olika geometrier, men experimenten kräver vanligtvis noggrann optisk inriktning, lider av bakgrundsljud, fungerar endast för smala frekvensområden av ljus och är begränsade till mycket tunna prover.

I detta senaste verk, dock, forskarna från Berkeley Lab överskred dessa begränsningar med en smart designad närfältssond. Tillverkad på änden av en optisk fiber, sonden har en avsmalnande, fyrsidig spets. Forskarna döpte sitt nya verktyg efter det campanile kyrktornet som det liknar, inspirerad av det landmärke klocktornet på UC Berkeley campus. Två av campanilens sidor är belagda med guld och de två guldlagren är åtskilda med bara några nanometer i spetsen. Den tredimensionella avsmalningen gör att enheten kan kanalisera ljus av alla våglängder ner till ett förstärkt fält vid spetsen. Storleken på gapet bestämmer upplösningen.

I ett vanligt atomkraftmikroskop (AFM), en skarp metallspets dras i huvudsak över ett prov för att generera en topologisk karta med sub-nanoskala upplösning. Resultaten kan vara utsökta men endast innehålla rumslig information och ingenting om provets sammansättning eller kemi.

Att ersätta den vanliga AFM-spetsen mot en campanile-spets är som att gå från svartvitt till helfärgat. Du kan fortfarande få den rumsliga kartan men nu finns det en mängd optisk data för varje pixel på kartan. Från optiska spektra, forskare kan identifiera atom- och molekylarter, och extrahera detaljer om elektronisk struktur.

"Det är det fina med dessa tips, " säger Schuck. "Du kan bara sätta dem på änden av en optisk fiber och sedan är det precis som att använda en vanlig AFM. Du behöver inte vara en supernära-fältjock längre för att få den här typen av data."

Teamet utvecklade sitt nya verktyg för att studera indium-fosfid nanotrådar. Dessa nanotrådar, med det nästan idealiska bandgapet på 1,4 elektronvolt, är väl lämpade för att omvandla solenergi till el. Forskarna fann att nanotrådarna inte var de homogena föremål som man tidigare trott, men hade istället olika optoelektroniska egenskaper längs sin längd, vilket radikalt kan förändra hur solljus omvandlas till elektricitet. De fann också att fotoluminescens, en indikation på förhållandet mellan ljus och elektricitet, var sju gånger starkare i vissa delar av en nanotråd än andra. Det är första gången någon mäter dessa händelser i så liten skala.

Weber-Bargioni säger:"Sådana detaljer om nanotrådar av indiumfosfid är viktiga för om du vill använda dessa sugkoppar för fotokatalys eller ett solcellsmaterial så är längdskalan som vi mäter där allt händer. Denna information är verkligen viktig. att förstå hur, till exempel, tillverkningen och ytbehandlingen av nanotrådar påverkar dessa laddningsrekombinationshastigheter. Dessa bestämmer hur effektivt en solenhet kan omvandla fotoner till användbara elektroner."

Tillägger Schuck:"Vi insåg att det här verkligen är det optimala sättet att göra alla slags optiska experiment man skulle vilja göra i nanoskala. Så vi använder det för bildbehandling och spektroskopi men vi förutser många andra användningsområden också."