Se la nanoscienza fosse la televisione, saremmo negli anni '50. Sebbene gli scienziati possano creare e manipolare oggetti su scala nanometrica con un controllo sempre più impressionante, sono limitati alle immagini in bianco e nero per esaminare quegli oggetti. Le informazioni sulla chimica su scala nanometrica e le interazioni con la luce - l'equivalente della microscopia atomica al colore - sono allettanti fuori dalla portata di tutti tranne che dei ricercatori più persistenti.

Ma tutto ciò potrebbe cambiare con l'introduzione di un nuovo strumento di microscopia da parte dei ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia (DOE) che fornisce dettagli chimici squisiti con una risoluzione un tempo ritenuta impossibile. Il team ha sviluppato il proprio strumento per studiare la conversione dell'energia solare in elettrica al suo livello più fondamentale, ma la loro invenzione promette di rivelare nuovi mondi di dati ai ricercatori di tutti i ceti della nanoscienza.

"Abbiamo trovato un modo per combinare i vantaggi della microscopia a scansione/sonda con i vantaggi della spettroscopia ottica, " dice Alex Weber-Bargioni, uno scienziato della Fonderia Molecolare, un centro di nanoscienze del DOE presso il Berkeley Lab. "Ora abbiamo un mezzo per guardare effettivamente i processi chimici e ottici su scala nanometrica dove stanno accadendo".

Weber-Bargioni è l'autore corrispondente di un articolo che riporta questa ricerca, pubblicato in Scienza . Il documento è intitolato, "Mappatura dell'eterogeneità della ricombinazione di carica locale mediante imaging nanospettroscopico multidimensionale". I co-autori del documento sono Wei Bao, Mauro Melì, Frank Ogletree, Shaul Aloni, Jeffrey Bokor, Stefano Cabrini, Miquel Salmerón, Eli Yablonovitch, e James Schuck del Berkeley Lab; Marco Staffaroni dell'Università della California, Berkeley; Hyuck Choo di Caltech; e i loro colleghi in Italia, Niccolò Caselli, Francesco Riboli, Diederik Wiersma, e Francesca Intoni.

"Se vuoi caratterizzare i materiali, in particolare i nanomateriali, il modo in cui è stato tradizionalmente fatto è con le microscopie elettroniche e le microscopie a scansione/sonda perché quelle ti danno davvero alto, risoluzione spaziale subatomica, ", afferma il coautore James Schuck, un ricercatore di nano-ottica presso la Molecular Foundry. "Sfortunatamente, quello che non ti danno è chimico, informazioni a livello molecolare".

Per informazioni chimiche, i ricercatori di solito si rivolgono alla spettroscopia ottica o vibrazionale. Il modo in cui un materiale interagisce con la luce è dettato in gran parte dalla sua composizione chimica, ma per la nanoscienza il problema con la spettroscopia ottica a scale rilevanti è il limite di diffrazione, che dice che non puoi focalizzare la luce su un punto più piccolo di circa la metà della sua lunghezza d'onda, a causa della natura ondulatoria della luce.

Per aggirare il limite di diffrazione, gli scienziati utilizzano la luce "vicino al campo". A differenza della luce che possiamo vedere, la luce del campo vicino decade esponenzialmente lontano da un oggetto, rendendo difficile la misurazione, ma contiene una risoluzione molto alta, molto più alta del normale, luce in campo lontano.

Dice Schuck, "La vera sfida per l'ottica a campo vicino, e uno dei grandi successi di questo documento, consiste nel creare un dispositivo che funga da trasduttore di luce di campo lontano a luce di campo vicino. Possiamo comprimerlo e ottenere campi locali molto migliorati che possono interagire con la materia. Possiamo quindi raccogliere tutti i fotoni che vengono dispersi o emessi a causa di questa interazione, raccogliere nel campo vicino con tutte queste informazioni di frequenza spaziale e trasformarle in propagazione, luce in campo lontano."

Il trucco per quella conversione è usare i plasmoni di superficie:oscillazioni collettive di elettroni che possono interagire con i fotoni. I plasmoni su due superfici separate da un piccolo spazio possono raccogliere e amplificare il campo ottico nello spazio, un segnale più forte da misurare per gli scienziati.

I ricercatori hanno sfruttato questi effetti per realizzare sonde di campo vicino con una varietà di geometrie, ma gli esperimenti in genere richiedono un accurato allineamento ottico, soffre di rumori di fondo, funzionano solo per intervalli di frequenza ristretti della luce e sono limitati a campioni molto sottili.

In questo ultimo lavoro, però, i ricercatori del Berkeley Lab hanno superato questi limiti con una sonda a campo vicino progettata in modo intelligente. Fabbricato sull'estremità di una fibra ottica, la sonda ha un cono, punta a quattro lati. I ricercatori hanno chiamato il loro nuovo strumento dopo il campanile della chiesa a cui assomiglia, ispirato alla storica torre dell'orologio del campus della UC Berkeley. Due dei lati del campanile sono rivestiti d'oro ei due strati d'oro sono separati in punta di pochi nanometri. Il cono tridimensionale consente al dispositivo di incanalare la luce di tutte le lunghezze d'onda in un campo potenziato sulla punta. La dimensione del gap determina la risoluzione.

In un normale microscopio a forza atomica (AFM), una punta metallica appuntita viene essenzialmente trascinata su un campione per generare una mappa topologica con risoluzione sub-nanoscala. I risultati possono essere squisiti ma contengono solo informazioni spaziali e nulla sulla composizione o sulla chimica del campione.

Sostituire la solita punta AFM con una punta campanile è come passare dal bianco e nero al colore pieno. Puoi ancora ottenere la mappa spaziale, ma ora c'è una grande quantità di dati ottici per ogni pixel su quella mappa. Dagli spettri ottici, gli scienziati possono identificare specie di atomi e molecole, ed estrarre dettagli sulla struttura elettronica.

"Questa è la bellezza di questi suggerimenti, " dice Schuck. "Puoi semplicemente metterli all'estremità di una fibra ottica e poi è proprio come usare un normale AFM. Non devi più essere un atleta super vicino al campo per ottenere questo tipo di dati".

Il team ha sviluppato il nuovo strumento per studiare i nanofili di fosfuro di indio. Questi nanofili, con il band gap quasi ideale di 1,4 elettronvolt, sono adatti per convertire l'energia solare in elettricità. I ricercatori hanno scoperto che i nanofili non erano gli oggetti omogenei precedentemente pensati, ma invece avevano proprietà optoelettroniche variabili lungo la loro lunghezza, che potrebbe alterare radicalmente il modo in cui la luce solare viene convertita in elettricità. Hanno anche scoperto che la fotoluminescenza, un'indicazione del rapporto tra luce ed elettricità, era sette volte più forte in alcune parti di un nanofilo rispetto ad altre. Questa è la prima volta che qualcuno ha misurato questi eventi su una scala così piccola.

Weber-Bargioni afferma:"Dettagli come questo sui nanofili di fosfuro di indio sono importanti perché se si desidera utilizzare queste ventose per la fotocatalisi o un materiale fotovoltaico, allora la scala di lunghezza su cui stiamo misurando è dove tutto accade. Questa informazione è davvero importante per capire come, Per esempio, la fabbricazione e il trattamento superficiale dei nanofili influenza queste velocità di ricombinazione di carica. Questi determinano l'efficienza con cui un dispositivo solare può convertire i fotoni in elettroni utilizzabili".

Schuck aggiunge:"Ci siamo resi conto che questo è davvero il modo ottimale per fare qualsiasi tipo di esperimento ottico che si potrebbe voler fare su scala nanometrica. Quindi lo usiamo per l'imaging e la spettroscopia, ma prevediamo anche molti altri usi".