Si prevede che i nanotubi di carbonio verranno utilizzati in una miriade di applicazioni che vanno dagli indumenti protettivi militari allo stoccaggio dell'idrogeno. A causa delle loro dimensioni nanometriche, però, la struttura e la chimica della superficie dei singoli nanotubi di carbonio non possono essere facilmente studiate utilizzando tecniche convenzionali. Norihiko Hayazawa e i colleghi del Near Field NanoPhotonics Research Team del RIKEN Center for Advanced Photonics hanno ora sviluppato una tecnica di microscopia ad alta risoluzione in grado di risolvere singoli nanotubi di carbonio in condizioni ambientali.

La spettroscopia Raman è ampiamente utilizzata per sondare le caratteristiche dei materiali con elevata precisione. Consiste nell'eccitare la superficie del materiale con un laser e quindi misurare il cambiamento nell'energia del laser dopo che è stato disperso dalla superficie. La spettroscopia Raman con punta potenziata (TERS) viene utilizzata per ottenere una risoluzione molecolare vicina al passaggio di una punta metallica sulla superficie del materiale per migliorare i segnali Raman delle molecole vicine. Il TERS che utilizza una punta per microscopio a forza atomica (AFM) è in grado di valutare contemporaneamente la struttura e la chimica superficiale dei materiali con una risoluzione di circa 10-20 nanometri, molto al di sotto del limite di diffrazione dei microscopi ottici convenzionali.

Recentemente è stato dimostrato che la sostituzione della punta dell'AFM con una punta del microscopio a effetto tunnel a scansione (STM) migliora notevolmente la risoluzione della tecnica. La posizione della punta metallica STM può essere controllata con maggiore precisione rispetto a quella di un AFM, rendendo possibile la scansione di un materiale con uno spazio tra la punta e la superficie inferiore a 1 nanometro. Il forte accoppiamento tra risonanze elettroniche chiamate "plasmoni" della punta e la superficie del materiale attraverso questo stretto gap in STM-TERS migliora ulteriormente la risoluzione della tecnica (Fig. 1).

"Con il nostro sistema STM-TERS, abbiamo raggiunto una risoluzione di 1,7 nanometri, il che significa che i nanotubi di carbonio possono essere visualizzati alle dimensioni del loro diametro, " spiega Hayazawa. "Questo rende possibile per la prima volta estrarre otticamente la proprietà locale dei nanotubi di carbonio senza fare una media".

Considerando che le precedenti tecniche basate su nanoscala STM e metodi STM-TERS hanno richiesto temperature criogeniche e vuoto ultraelevato, la tecnica STM-TERS sviluppata dal team di Hayazawa può essere utilizzata con una camera compatta a pressione e temperatura ambiente. Ciò amplia notevolmente la gamma di materiali che possono essere sondati. "Sequenziamento del DNA, dinamica delle proteine ​​su membrane biologiche, e le celle solari organiche richiedono tutte condizioni ambientali, " spiega Hayazawa.

Oltre a utilizzare la tecnica per sondare altri materiali ad altissima risoluzione, i ricercatori sperano di essere in grado di rivelare proprietà fisiche precedentemente sconosciute dei nanotubi di carbonio.