Si la nanociencia fuera televisión, estaríamos en la década de 1950. Aunque los científicos pueden crear y manipular objetos a nanoescala con un control cada vez más asombroso, se limitan a imágenes en blanco y negro para examinar esos objetos. La información sobre la química a nanoescala y las interacciones con la luz (el equivalente en microscopía atómica al color) está tentadoramente fuera del alcance de todos los investigadores, excepto los más persistentes.

Pero todo eso puede cambiar con la introducción de una nueva herramienta de microscopía de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía (DOE) que ofrece detalles químicos exquisitos con una resolución que antes se creía imposible. El equipo desarrolló su herramienta para investigar la conversión de energía solar a eléctrica en su nivel más fundamental, pero su invención promete revelar nuevos mundos de datos a investigadores de todos los ámbitos de la nanociencia.

"Hemos encontrado una manera de combinar las ventajas de la microscopía de exploración / sonda con las ventajas de la espectroscopía óptica, "dice Alex Weber-Bargioni, un científico de Molecular Foundry, un centro de nanociencia del DOE en Berkeley Lab. "Ahora tenemos un medio para observar los procesos químicos y ópticos en la nanoescala donde están sucediendo".

Weber-Bargioni es el autor correspondiente de un artículo que informa sobre esta investigación, publicado en Ciencias . El papel se titula, "Mapeo de la heterogeneidad de recombinación de carga local mediante imágenes nanospectroscópicas multidimensionales". Los coautores del artículo son Wei Bao, Mauro Meli, Frank Ogletree, Shaul Aloni, Jeffrey Bokor, Stephano Cabrini, Miquel Salmerón, Eli Yablonovitch, y James Schuck de Berkeley Lab; Marco Staffaroni de la Universidad de California, Berkeley; Hyuck Choo de Caltech; y sus colegas en Italia, Niccolo Caselli, Francesco Riboli, Diederik Wiersma, y Francesca Intoni.

"Si desea caracterizar materiales, particularmente nanomateriales, la forma en que se ha hecho tradicionalmente es con microscopías electrónicas y microscopías de barrido / sonda porque te dan realmente alto, resolución espacial subatómica, "dice el coautor James Schuck, investigador de nanoóptica en Molecular Foundry. "Desafortunadamente, lo que no te dan es químico, información a nivel molecular ".

Para obtener información química, los investigadores suelen recurrir a la espectroscopia óptica o vibracional. La forma en que un material interactúa con la luz viene dictada en gran parte por su composición química, pero para la nanociencia, el problema de hacer espectroscopía óptica a escalas relevantes es el límite de difracción, que dice que no se puede enfocar la luz hacia un punto más pequeño que aproximadamente la mitad de su longitud de onda, debido a la naturaleza ondulatoria de la luz.

Para sortear el límite de difracción, los científicos emplean luz de "campo cercano". A diferencia de la luz que podemos ver la luz de campo cercano decae exponencialmente lejos de un objeto, haciendo que sea difícil de medir, pero contiene una resolución muy alta, mucho más alta de lo normal, luz de campo lejano.

Dice Schuck, "El verdadero desafío para la óptica de campo cercano, y uno de los grandes logros de este documento, consiste en crear un dispositivo que actúa como un transductor de luz de campo lejano a luz de campo cercano. Podemos reducirlo y obtener campos locales muy mejorados que pueden interactuar con la materia. Luego podemos recolectar los fotones que se dispersan o emiten debido a esta interacción, recopilar en el campo cercano con toda esta información de frecuencia espacial y convertirla de nuevo en propagación, luz de campo lejano ".

El truco para esa conversión es usar plasmones de superficie:oscilaciones colectivas de electrones que pueden interactuar con fotones. Los plasmones en dos superficies separadas por un pequeño espacio pueden recolectar y amplificar el campo óptico en el espacio, haciendo una señal más fuerte para que los científicos la midan.

Los investigadores han aprovechado estos efectos para hacer sondas de campo cercano con una variedad de geometrías, pero los experimentos suelen requerir una minuciosa alineación óptica, sufre de ruido de fondo, solo funcionan para rangos de frecuencia estrechos de luz y están limitados a muestras muy delgadas.

En este último trabajo, sin embargo, los investigadores del laboratorio de Berkeley trascendieron estas limitaciones con una sonda de campo cercano inteligentemente diseñada. Fabricado en el extremo de una fibra óptica, la sonda tiene un ahusado, punta de cuatro lados. Los investigadores nombraron su nueva herramienta en honor a la torre de la iglesia del campanario a la que se parece, inspirado en la emblemática torre del reloj en el campus de UC Berkeley. Dos de los lados del campanario están cubiertos de oro y las dos capas de oro están separadas por unos pocos nanómetros en la punta. El cono tridimensional permite que el dispositivo canalice la luz de todas las longitudes de onda hacia un campo mejorado en la punta. El tamaño del espacio determina la resolución.

En un microscopio de fuerza atómica normal (AFM), una punta de metal afilada se arrastra esencialmente a través de una muestra para generar un mapa topológico con resolución sub-nanoescala. Los resultados pueden ser exquisitos, pero solo contienen información espacial y nada sobre la composición o la química de la muestra.

Reemplazar la punta AFM habitual por una punta de campanario es como pasar de blanco y negro a todo color. Aún puede obtener el mapa espacial, pero ahora hay una gran cantidad de datos ópticos para cada píxel en ese mapa. De los espectros ópticos, los científicos pueden identificar especies de átomos y moléculas, y extraer detalles sobre la estructura electrónica.

"Esa es la belleza de estos consejos, ", dice Schuck." Puede colocarlos en el extremo de una fibra óptica y luego es como usar un AFM normal. Ya no tienes que ser un súper deportista de campo cercano para obtener este tipo de datos ".

El equipo desarrolló su nueva herramienta para estudiar nanocables de fosfuro de indio. Estos nanocables, con la banda prohibida casi ideal de 1,4 electronvoltios, son adecuados para convertir la energía solar en electricidad. Los investigadores encontraron que los nanocables no eran los objetos homogéneos que se pensaba anteriormente, pero en cambio tenía diferentes propiedades optoelectrónicas a lo largo de su longitud, lo que podría alterar radicalmente la forma en que la luz solar se convierte en electricidad. También encontraron que la fotoluminiscencia, una indicación de la relación entre la luz y la electricidad, era siete veces más fuerte en algunas partes de un nanoalambre que en otras. Esta es la primera vez que alguien mide estos eventos en una escala tan pequeña.

Weber-Bargioni dice:"Detalles como este sobre los nanocables de fosfuro de indio son importantes porque si desea usar estos ventosas para fotocatálisis o un material fotovoltaico, entonces la escala de longitud en la que estamos midiendo es donde todo sucede. Esta información es realmente importante para entender como por ejemplo, la fabricación y el tratamiento de la superficie de los nanocables influyen en estas velocidades de recombinación de carga. Estos determinan la eficiencia con la que un dispositivo solar puede convertir fotones en electrones utilizables ".

Schuck agrega:"Nos dimos cuenta de que esta es realmente la forma óptima de hacer cualquier tipo de experimento óptico que uno quiera hacer a escala nanométrica. Por lo tanto, lo usamos para imágenes y espectroscopía, pero también anticipamos muchos otros usos".