p Se a nanociência fosse televisão, estaríamos na década de 1950. Embora os cientistas possam fazer e manipular objetos em nanoescala com controle cada vez mais impressionante, eles são limitados a imagens em preto e branco para examinar esses objetos. As informações sobre a química em nanoescala e as interações com a luz - a microscopia atômica equivalente à cor - são tentadoramente fora do alcance de todos, exceto dos pesquisadores mais persistentes. p Mas tudo isso pode mudar com a introdução de uma nova ferramenta de microscopia de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia (DOE), que fornece detalhes químicos requintados com uma resolução antes considerada impossível. A equipe desenvolveu sua ferramenta para investigar a conversão de energia solar em elétrica em seu nível mais fundamental, mas sua invenção promete revelar novos mundos de dados para pesquisadores em todas as esferas da nanociência.

p "Encontramos uma maneira de combinar as vantagens da microscopia de varredura / sonda com as vantagens da espectroscopia óptica, "diz Alex Weber-Bargioni, um cientista da Fundição Molecular, um centro de nanociência DOE no Berkeley Lab. "Agora temos um meio de realmente observar os processos químicos e ópticos na nanoescala onde eles estão acontecendo."

p Weber-Bargioni é o autor correspondente de um artigo relatando esta pesquisa, publicado em Ciência . O artigo é intitulado, "Mapeamento de heterogeneidade de recombinação de carga local por imagem nanospectroscópica multidimensional." Os co-autores do artigo são Wei Bao, Mauro Meli, Frank Ogletree, Shaul Aloni, Jeffrey Bokor, Stephano Cabrini, Miquel Salmeron, Eli Yablonovitch, e James Schuck, do Berkeley Lab; Marco Staffaroni da Universidade da Califórnia, Berkeley; Hyuck Choo da Caltech; e seus colegas na Itália, Niccolo Caselli, Francesco Riboli, Diederik Wiersma, e Francesca Intoni.

p “Se você quiser caracterizar materiais, particularmente nanomateriais, a maneira como é tradicionalmente feito é com microscopias eletrônicas e microscopias de varredura / sonda, porque elas dão muito alto, resolução espacial subatômica, "diz o co-autor James Schuck, um pesquisador de nano-óptica na Molecular Foundry. "Infelizmente, o que eles não dão é químico, informações em nível molecular. "

p Para informações químicas, os pesquisadores normalmente recorrem à espectroscopia óptica ou vibracional. A forma como um material interage com a luz é ditada em grande parte por sua composição química, mas para a nanociência, o problema de fazer espectroscopia óptica em escalas relevantes é o limite de difração, que diz que você não pode focar a luz em um ponto menor do que aproximadamente metade de seu comprimento de onda, devido à natureza ondulatória da luz.

p Para contornar o limite de difração, os cientistas empregam luz de "campo próximo". Ao contrário da luz que podemos ver, a luz de campo próximo decai exponencialmente de um objeto, tornando difícil medir, mas contém uma resolução muito alta - muito mais alta do que o normal, luz de campo distante.

p Diz Schuck, "O verdadeiro desafio para a óptica de campo próximo, e uma das grandes conquistas neste artigo, é criar um dispositivo que atua como um transdutor de luz de campo distante para luz de campo próximo. Podemos espremê-lo e obter campos locais muito aprimorados que podem interagir com a matéria. Podemos, então, coletar quaisquer fótons que são espalhados ou emitidos devido a essa interação, coletar no campo próximo com todas essas informações de frequência espacial e transformá-las em propagação, luz de campo distante. "

p O truque para essa conversão é usar plasmons de superfície:oscilações coletivas de elétrons que podem interagir com fótons. Plasmons em duas superfícies separadas por uma pequena lacuna podem coletar e amplificar o campo óptico na lacuna, fazendo um sinal mais forte para os cientistas medirem.

p Os pesquisadores exploraram esses efeitos para fazer sondas de campo próximo com uma variedade de geometrias, mas os experimentos normalmente requerem alinhamento óptico meticuloso, sofrem de ruído de fundo, funcionam apenas para faixas estreitas de frequência de luz e são limitados a amostras muito finas.

p Neste último trabalho, Contudo, os pesquisadores do Berkeley Lab transcenderam essas limitações com uma sonda de campo próximo habilmente projetada. Fabricado na extremidade de uma fibra óptica, a sonda tem uma forma cônica, ponta de quatro lados. Os pesquisadores nomearam sua nova ferramenta em homenagem à torre da igreja campanária com a qual ela se assemelha, inspirado na torre do relógio de referência no campus da UC Berkeley. Dois dos lados do campanário são revestidos de ouro e as duas camadas de ouro são separadas por apenas alguns nanômetros na ponta. O cone tridimensional permite que o dispositivo canalize a luz de todos os comprimentos de onda para um campo aprimorado na ponta. O tamanho da lacuna determina a resolução.

p Em um microscópio de força atômica regular (AFM), uma ponta de metal afiada é essencialmente arrastada através de uma amostra para gerar um mapa topológico com resolução sub-nanoescala. Os resultados podem ser excelentes, mas contêm apenas informações espaciais e nada sobre a composição ou química da amostra.

p Substituir a ponta AFM usual por uma ponta de campanário é como passar de preto e branco para colorido. Você ainda pode obter o mapa espacial, mas agora há uma abundância de dados ópticos para cada pixel naquele mapa. Do espectro óptico, cientistas podem identificar espécies de átomos e moléculas, e extrair detalhes sobre a estrutura eletrônica.

p "Essa é a beleza dessas dicas, "diz Schuck." Você pode simplesmente colocá-los na extremidade de uma fibra óptica e então é como usar um AFM normal. Você não precisa mais ser um super atleta de campo próximo para obter esse tipo de dados. "

p A equipe desenvolveu sua nova ferramenta para estudar nanofios de fosfeto de índio. Esses nanofios, com o gap quase ideal de 1,4 elétron-volts, são adequados para converter energia solar em eletricidade. Os pesquisadores descobriram que os nanofios não eram os objetos homogêneos pensados ​​anteriormente, mas, em vez disso, tinha propriedades optoeletrônicas variáveis ​​ao longo de seu comprimento, o que poderia alterar radicalmente como a luz do sol é convertida em eletricidade. Eles também descobriram que a fotoluminescência, uma indicação da relação entre luz e eletricidade, foi sete vezes mais forte em algumas partes de um nanofio do que em outras. Esta é a primeira vez que alguém mede esses eventos em uma escala tão pequena.

p Weber-Bargioni diz:"Detalhes como este sobre os nanofios de fosfeto de índio são importantes porque se você quiser usar esses sugadores para fotocatálise ou um material fotovoltaico, então a escala de comprimento em que estamos medindo é onde tudo acontece. Esta informação é muito importante para entender como, por exemplo, a fabricação e o tratamento de superfície dos nanofios influenciam essas velocidades de recombinação de carga. Isso determina a eficiência com que um dispositivo solar pode converter fótons em elétrons utilizáveis. "

p Schuck acrescenta:"Percebemos que esta é realmente a maneira ideal de fazer qualquer tipo de experimento óptico que se queira fazer na escala nano. Portanto, usamos para imagens e espectroscopia, mas prevemos muitos outros usos também."