p Os segredos por trás dos misteriosos "hotspots" eletromagnéticos de tamanho nano que aparecem em superfícies de metal sob uma luz estão finalmente sendo revelados com a ajuda de uma BESTA. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE desenvolveram uma tecnologia de imagem de molécula única, apelidada de Técnica de Super-resolução de Adsorção de Emissor Browniano (BEAST), isso tornou possível, pela primeira vez, medir diretamente o campo eletromagnético dentro de um ponto de acesso. Os resultados são promissores para uma série de tecnologias, incluindo energia solar e sensoriamento químico. p "Com nosso método BEAST, fomos capazes de mapear o perfil do campo eletromagnético dentro de um único ponto de acesso como
pequeno como 15 nanômetros com uma precisão de até 1,2 nanômetros, em apenas alguns minutos, "diz Xiang Zhang,
um investigador principal da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e o Professor Coordenado por Ernest S. Kuh Endowed na Universidade da Califórnia (UC), Berkeley. "Descobrimos que o campo é altamente localizado e, ao contrário de um campo eletromagnético típico, não se propaga através do espaço. O campo também tem uma forma exponencial que sobe abruptamente até um pico e então decai muito rápido. "

p Zhang, que dirige o Centro de Nanofabricação Escalável e Integrada (SINAM), um Centro de Ciência e Engenharia em escala nanométrica da National Science Foundation na UC Berkeley, é o autor correspondente de um artigo sobre esta pesquisa que aparece na revista Natureza sob o título "Mapeando a distribuição do campo eletromagnético dentro de um ponto quente de 15 nm por imagem de molécula única." Hu Cang foi coautor do artigo com Zhang, Anna Labno, Changgui Lu, Xiaobo Yin, Ming Liu e Christopher Gladden.

p Sob iluminação óptica, superfícies metálicas ásperas ficarão pontilhadas com pontos de acesso microscópicos, onde a luz é fortemente confinada em áreas medindo dezenas de nanômetros de diâmetro, e o espalhamento Raman (inelástico) da luz é aumentado em até 14 ordens de magnitude. Observado pela primeira vez há mais de 30 anos, tais pontos de acesso têm sido associados ao impacto da rugosidade da superfície em plasmons (ondas de superfície eletrônicas) e outros modos eletromagnéticos localizados.
Contudo, durante as últimas três décadas, pouco se aprendeu sobre as origens desses hotspots.

p "Surpreendentemente, apesar de milhares de artigos sobre este problema e várias teorias, somos os primeiros a determinar experimentalmente a natureza do campo eletromagnético dentro de tais pontos de acesso nanométricos, "diz Hu Cang, autor principal no Natureza papel e membro do grupo de pesquisa de Zhang. "O hotspot de 15 nanômetros que medimos é do tamanho de uma molécula de proteína. Acreditamos que existam hotspots que podem até ser menores do que uma molécula."

p Como o tamanho desses pontos de acesso metálicos é muito menor do que o comprimento de onda da luz incidente, uma nova técnica era necessária para mapear o campo eletromagnético dentro de um hotspot. Os pesquisadores de Berkeley desenvolveram o método BEAST para capitalizar o fato de que moléculas de corante fluorescente individuais podem ser localizadas com precisão de um nanômetro. A intensidade de fluorescência de moléculas individuais adsorvidas na superfície fornece uma medida direta do campo eletromagnético dentro de um único ponto de acesso. O BEAST utiliza o movimento browniano de moléculas de corante único em uma solução para fazer com que os corantes digitalizem o interior de um único ponto de acesso estocasticamente, uma molécula de cada vez.

p "A forma exponencial que encontramos para o campo eletromagnético dentro de um ponto de acesso é uma evidência direta da existência de um campo eletromagnético localizado, em oposição à forma mais comum de distribuição gaussiana, "Cang diz." Existem vários mecanismos concorrentes propostos para hotspots e agora estamos trabalhando para examinar mais aprofundadamente esses mecanismos fundamentais. "

p BEAST começa com a submersão de uma amostra em um
solução de difusão livre de corante fluorescente. Uma vez que a difusão do corante é muito mais rápida do que o tempo de aquisição da imagem (0,1 milissegundos vs. 50 a 100 milissegundos), a fluorescência produz um fundo homogêneo. Quando uma molécula de corante é adsorvida na superfície de um ponto de acesso, aparece como um ponto brilhante nas imagens, com a intensidade do ponto relatando a intensidade do campo local.

p "Usando um método de localização de molécula única de máxima verossimilhança, a molécula pode ser localizada com precisão de nanômetro único, "Diz Zhang." Depois que a molécula do corante é branqueada (normalmente em centenas de milissegundos), a fluorescência desaparece e o ponto de acesso está pronto para o próximo evento de adsorção. "

p A escolha da concentração correta das moléculas de corante permite a taxa de adsorção na superfície de um ponto de acesso
a ser controlado de forma que apenas uma molécula adsorvida emita fótons por vez. Como o BEAST usa uma câmera para registrar os eventos de adsorção de molécula única, vários pontos de acesso em um campo de visão de até um milímetro quadrado podem ser visualizados em paralelo.

p Em seu jornal, Zhang e seus colegas veem os pontos de acesso sendo colocados em uso em uma ampla gama de aplicações, começando com a fabricação de células solares altamente eficientes e dispositivos que podem detectar sinais químicos fracos.

p "Um ponto de acesso é como uma lente que pode focar a luz em um pequeno ponto com um poder de foco muito além de qualquer óptica convencional, "Cang diz." Embora uma lente convencional só possa focar a luz em um ponto com cerca de metade do comprimento de onda da luz visível (cerca de 200-300 nanômetros), agora confirmamos que um ponto de acesso pode focar a luz em um ponto do tamanho de nanômetros. "

p Por meio deste excepcional poder de foco, pontos quentes podem ser usados ​​para concentrar a luz solar nos locais fotocatalíticos de dispositivos solares, ajudando assim a maximizar as eficiências de coleta de luz e divisão de água. Para a detecção de sinais químicos fracos, por exemplo., de um único
molécula, um ponto de acesso pode ser usado para focar a luz incidente de modo que ilumine apenas a molécula de interesse, aumentando assim o sinal e minimizando o fundo.

p O BEAST também torna possível estudar o comportamento da luz ao passar por um nanomaterial, um fator crítico para o desenvolvimento futuro de dispositivos nano-ópticos e metamateriais. As técnicas experimentais atuais sofrem de resolução limitada e são difíceis de implementar na escala verdadeiramente nano.

p "O BEAST oferece uma oportunidade sem precedentes para medir como um nanomaterial altera a distribuição da luz, que guiará o desenvolvimento de dispositivos nano-ópticos avançados, "diz Cang." Também usaremos o BEAST para responder a alguns problemas desafiadores em ciência de superfície, como onde e quais são os locais ativos em um catalisador, como a energia ou cargas são transferidas entre as moléculas e um nanomaterial, e o que determina a hidrofobicidade da superfície. Esses problemas requerem uma técnica com resolução de nível de microscopia eletrônica e informações de espectroscopia óptica. O BEAST é uma ferramenta perfeita para esses problemas. "