Kolnanorör förväntas användas i en myriad av tillämpningar, allt från militära skyddskläder till vätelagring. På grund av deras nanometerdimensioner, dock, strukturen och ytkemin hos enskilda kolnanorör kan inte enkelt studeras med konventionella tekniker. Norihiko Hayazawa och kollegor från Near Field NanoPhotonics Research Team vid RIKEN Center for Advanced Photonics har nu utvecklat en högupplöst mikroskopiteknik som kan lösa enskilda kolnanorör under omgivande förhållanden.

Ramanspektroskopi används i stor utsträckning för att undersöka egenskaperna hos material med hög precision. Det går ut på att excitera materialytan med en laser och sedan mäta förändringen i laserenergi efter att den har spridits från ytan. Spetsförstärkt Raman-spektroskopi (TERS) används för att uppnå nära molekylär upplösning genom att föra en metallisk spets över materialytan för att förstärka Raman-signalerna från närliggande molekyler. TERS som använder en atomkraftmikroskopspets (AFM) kan samtidigt bedöma strukturen och ytkemin hos material med en upplösning på cirka 10–20 nanometer – långt under diffraktionsgränsen för konventionella optiska mikroskop.

Att ersätta AFM-spetsen med en scanning tunneling microscope (STM)-spets har nyligen visat sig förbättra upplösningen av tekniken dramatiskt. Den metalliska STM-spetsens position kan kontrolleras mer exakt än den för en AFM, gör det möjligt att skanna ett material med ett gap mellan spetsen och ytan på mindre än 1 nanometer. Stark koppling mellan elektroniska resonanser som kallas "plasmoner" av spetsen och materialytan över detta smala gap i STM-TERS förbättrar ytterligare teknikens upplösning (Fig. 1).

"Med vårt STM-TERS-system, vi har uppnått en upplösning på 1,7 nanometer, vilket innebär att kolnanorör kan visualiseras med dimensionerna av deras diameter, " förklarar Hayazawa. "Detta gör det möjligt för första gången att extrahera de lokala egenskaperna hos kolnanorören optiskt utan medelvärde."

Medan tidigare STM-baserade tekniker och STM-TERS-metoder i nanoskala har krävt kryogena temperaturer och ultrahöga vakuum, STM-TERS-tekniken utvecklad av Hayazawas team kan användas med en kompakt kammare vid omgivningstryck och temperatur. Detta breddar avsevärt utbudet av material som kan sonderas. "DNA-sekvensering, proteindynamik på biologiska membran, och organiska solceller kräver alla omgivningsförhållanden, " förklarar Hayazawa.

Förutom att använda tekniken för att sondera andra material med ultrahög upplösning, forskarna hoppas kunna avslöja tidigare oupptäckta fysikaliska egenskaper hos kolnanorör.