I ett bra exempel på "less is more, "Rice Universitys forskare har utvecklat en kraftfull metod för att analysera kolnanorör i lösning.

Forskarnas variansspektroskopiteknik zoomar in på små områden i utspädda nanorörslösningar för att ta snabba spektrala ögonblicksbilder. Genom att analysera sammansättningen av nanorör i varje ögonblicksbild och jämföra likheterna och skillnaderna över några tusen ögonblicksbilder, forskarna får ny information om typerna, antal och egenskaper hos nanopartiklarna i lösningen.

Processen är detaljerad i ett öppet dokument i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters den här månaden.

Riskemist Bruce Weisman, en pionjär inom området spektroskopi som ledde upptäckten och tolkningen av nära-infraröd fluorescens från halvledande kolnanorör, förväntar sig att variansspektroskopi kommer att bli ett värdefullt verktyg för forskare som studerar material i nanoskala.

Kolnanorör är ihåliga cylindrar av rent kol som vanligtvis odlas i en ugn. Det finns dussintals olika typer av nanorör och de fysiska egenskaperna och potentiella användningarna varierar för varje typ. Det finns ännu inget praktiskt sätt att odla bara en typ, så de måste ofta sorteras på fysisk eller kemisk väg. Weisman sa att variansspektroskopi kan hjälpa till att karakterisera nanorörsprover i den pågående enheten för att sortera och separera specifika typer för elektroniska och optiska applikationer.

Weisman-labbet testade sin anpassade rigg på spridda prover av enkelväggiga kolnanorör odlade på Rice. Forskarna fångade fluorescensspektra från några tusen distinkta små regioner. Statistiska variationer mellan dessa spektra avslöjade antalet nanorör av olika typer och hur starkt varje typ avger ljus. Ytterligare dataanalys gav "dissekerade" spektra av varje typ, fri från störningar från andra i det blandade provet.

"När vi fokuserar vår uppmärksamhet på mindre och mindre volymer av provet, medelvärdet, enhetligt beteende du ser på den makroskopiska skalan börjar gå sönder, och vi ser effekter från materiens partikelform, " han sa.

"Vid det tillfället, det finns slumpmässiga fluktuationer i antalet partiklar inom den observerade volymen. Vad vi gör är att analysera de resulterande slumpmässiga fluktuationerna i spektra för att lära oss hur många partiklar av varje typ som finns och om de är aggregerade med varandra.

"En analogi kan vara att titta på fans på en fotbollsarena som bär sina lags färger, " sa Weisman. "Om du står långt tillbaka och ser på hela folkmassan, allt du kan räkna ut är det totala förhållandet mellan Rice-fans och Texas-fans. Men om du zoomar in och analyserar rad för rad, du kommer att se kluster av Rice-fans och kluster av Texas-fans och lära dig hur varje grupp samlas. Det ger dig extra insikter om publiken som du aldrig skulle kunna få från den stora utsikten.

"Det är liknande med nanorör, " sa han. "Vi tittar på ett prov som har en mängd olika strukturer och lär oss mer om egenskaperna hos enskilda komponenter. Det är en spektroskopisk dissektion av en komplex blandning för att få information som skulle vara mycket svårare att få med någon annan metod."

Weisman sa att tekniken också hjälper till att hantera nanorörs irriterande tendens att klumpa ihop sig. "När du försöker använda en separationsmetod för att sortera ut dem, du kan inte göra det effektivt om de sitter ihop, " sa Weisman. "Om du vill ha typ A och de har fastnat för typ B, då slösar du bort din separationsansträngning. Men variansspektroskopi ger ett mycket känsligt sätt att avgöra om partiklar av olika typer faktiskt reser tillsammans."

Weisman förväntar sig att variansspektroskopi kan utökas för att analysera många material i nanoskala, som guld nanopartiklar och kvantprickar, med olika spektroskopiska sonder. "När du gör nanomaterial, det finns i allmänhet en viss variation i partikelstorlekar som ger en motsvarande variation i de spektrala egenskaperna, ", sa han. "Vår variansmetod kan användas med sådana system för att ta en titt inuti."