Los secretos detrás de los misteriosos "puntos calientes" electromagnéticos de tamaño nanométrico que aparecen en superficies metálicas bajo una luz finalmente se están revelando con la ayuda de una BESTIA. Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE han desarrollado una tecnología de imágenes de una sola molécula, apodada la técnica de superresolución de adsorción de emisores brownianos (BEAST), que ha hecho posible por primera vez medir directamente el campo electromagnético dentro de un hotspot. Los resultados son prometedores para una serie de tecnologías, incluida la energía solar y la detección química.

"Con nuestro método BEAST, pudimos mapear el perfil del campo electromagnético dentro de un solo punto de acceso como
tan pequeño como 15 nanómetros con una precisión de hasta 1,2 nanómetros, en solo unos minutos, "dice Xiang Zhang,
investigador principal de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y profesor titular de Ernest S. Kuh en la Universidad de California (UC), Berkeley. "Descubrimos que el campo está muy localizado y, a diferencia de un campo electromagnético típico, no se propaga por el espacio. El campo también tiene una forma exponencial que se eleva abruptamente hasta un pico y luego decae muy rápido ".

Zhang, quien dirige el Centro de NanoManufactura Integrada y Escalable (SINAM), un centro de ciencia e ingeniería a nanoescala de la National Science Foundation en UC Berkeley, es el autor correspondiente de un artículo sobre esta investigación que aparece en la revista Naturaleza bajo el título "Mapeo de la distribución del campo electromagnético dentro de un hotspot de tamaño de 15 nm mediante la obtención de imágenes de una sola molécula". Los coautores del artículo con Zhang fueron Hu Cang, Anna Labno, Changgui Lu, Xiaobo Yin, Ming Liu y Christopher Gladden.

Bajo iluminación óptica, las superficies metálicas rugosas se salpicarán con puntos calientes microscópicos, donde la luz está fuertemente confinada en áreas que miden decenas de nanómetros de diámetro, y la dispersión Raman (inelástica) de la luz aumenta hasta 14 órdenes de magnitud. Observado por primera vez hace más de 30 años, estos puntos calientes se han relacionado con el impacto de la rugosidad de la superficie en los plasmones (ondas superficiales electrónicas) y otros modos electromagnéticos localizados.
Sin embargo, durante las últimas tres décadas, poco se ha aprendido sobre los orígenes de estos puntos críticos.

"Asombrosamente, a pesar de miles de artículos sobre este problema y varias teorías, Somos los primeros en determinar experimentalmente la naturaleza del campo electromagnético dentro de esos puntos calientes de tamaño nanométrico, "dice Hu Cang, autor principal del Naturaleza paper y miembro del grupo de investigación de Zhang. "El hotspot de 15 nanómetros que medimos tiene aproximadamente el tamaño de una molécula de proteína. Creemos que hay hotspots que pueden ser incluso más pequeños que una molécula".

Debido a que el tamaño de estos puntos calientes metálicos es mucho menor que la longitud de onda de la luz incidente, Se necesitaba una nueva técnica para mapear el campo electromagnético dentro de un punto de acceso. Los investigadores de Berkeley desarrollaron el método BEAST para aprovechar el hecho de que las moléculas individuales de colorante fluorescente se pueden localizar con una precisión de un solo nanómetro. La intensidad de la fluorescencia de las moléculas individuales adsorbidas en la superficie proporciona una medida directa del campo electromagnético dentro de un solo punto de acceso. BEAST utiliza el movimiento browniano de moléculas de un solo colorante en una solución para hacer que los colorantes escaneen estocásticamente el interior de un solo punto de acceso, una molécula a la vez.

"La forma exponencial que encontramos para el campo electromagnético dentro de un punto de acceso es una evidencia directa de la existencia de un campo electromagnético localizado, a diferencia de la forma más común de distribución gaussiana, ", Dice Cang." Hay varios mecanismos en competencia propuestos para los hotspots y ahora estamos trabajando para examinar más a fondo estos mecanismos fundamentales ".

BEAST comienza con la inmersión de una muestra en un
solución de tinte fluorescente de difusión libre. Dado que la difusión del tinte es mucho más rápida que el tiempo de adquisición de la imagen (0,1 milisegundos frente a 50 a 100 milisegundos), la fluorescencia produce un fondo homogéneo. Cuando una molécula de tinte se adsorbe en la superficie de un punto caliente, aparece como un punto brillante en las imágenes, con la intensidad del punto informando la intensidad del campo local.

"Mediante el uso de un método de localización de una sola molécula de máxima probabilidad, la molécula se puede localizar con una precisión de un nanómetro, "Dice Zhang." Después de que la molécula de tinte se blanquea (generalmente en cientos de milisegundos), la fluorescencia desaparece y el hotspot está listo para el próximo evento de adsorción ".

La elección de la concentración correcta de las moléculas de tinte permite la tasa de adsorción en la superficie de un punto de acceso.
debe controlarse de modo que solo una molécula adsorbida emita fotones a la vez. Dado que BEAST usa una cámara para registrar los eventos de adsorción de una sola molécula, Se pueden obtener imágenes en paralelo de múltiples puntos de acceso dentro de un campo de visión de hasta un milímetro cuadrado.

En su papel Zhang y sus colegas ven que los puntos de acceso se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, comenzando con la fabricación de dispositivos y células solares altamente eficientes que pueden detectar señales químicas débiles.

"Un punto de acceso es como una lente que puede enfocar la luz en un punto pequeño con un poder de enfoque mucho más allá de cualquier óptica convencional, ", Dice Cang." Mientras que una lente convencional solo puede enfocar la luz en un punto de aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz visible (alrededor de 200-300 nanómetros), ahora confirmamos que un punto de acceso puede enfocar la luz en un punto del tamaño de un nanómetro ".

A través de este excepcional poder de enfoque, Los puntos calientes podrían usarse para concentrar la luz solar en los sitios fotocatalíticos de los dispositivos solares, ayudando así a maximizar las eficiencias de captación de luz y división del agua. Para la detección de señales químicas débiles, p.ej., de un solo
molécula, se podría usar un punto de acceso para enfocar la luz incidente de modo que solo ilumine la molécula de interés, mejorando así la señal y minimizando el fondo.

BEAST también permite estudiar el comportamiento de la luz a su paso por un nanomaterial, un factor crítico para el desarrollo futuro de dispositivos nanoópticos y metamateriales. Las técnicas experimentales actuales adolecen de una resolución limitada y son difíciles de implementar en la verdadera nanoescala.

"BEAST ofrece una oportunidad sin precedentes para medir cómo un nanomaterial altera la distribución de la luz, que guiará el desarrollo de dispositivos nanoópticos avanzados, ", dice Cang." También usaremos BEAST para responder a algunos problemas desafiantes en la ciencia de la superficie, como dónde y cuáles son los sitios activos en un catalizador, cómo se transfieren la energía o las cargas entre las moléculas y un nanomaterial, y lo que determina la hidrofobicidad de la superficie. Estos problemas requieren una técnica con resolución de nivel de microscopía electrónica e información de espectroscopía óptica. BEAST es una herramienta perfecta para estos problemas ".