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新しいBEAST方法は、不思議なナノサイズの電磁ホットスポットの秘密を明かす

Published on January 20, 2011 at 6:32 AM

光の下で金属の表面に現れる神秘的なナノサイズの電磁"ホットスポット"の秘密がついにBEASTの助けを借りて明らかにされる。

米国エネルギー省(DOE)のローレンスバークレー国立研究所(バークレー研究所)の研究者が初めてそれを可能にしているブラウンエミッタ吸着超解像技術(BEAST)を、と呼ばれる、単一分子イメージング技術を開発した直接ホットスポット内部の電磁界を測定する。結果は、太陽エネルギーと化学センシングなどの技術の数のための約束を保持する。

電子顕微鏡写真は、アルミニウム膜上に複数のナノサイズの電磁ホットスポットを示している。

"私たちのBEASTの方法では、我々はわずか数分では1.2ナノメートルの精度、と15ナノメートルのような小さな、単一のホットスポット内で電磁界のプロファイルをマッピングすることができた、"翔チャン、バークレー研究所材料と治験責任医師は述べています科学部門とアーネストS.クウは、カリフォルニア大学(UC)バークレー校の教授を委員長と寄附。 "我々は、フィールドは非常にローカライズされていることを発見し、典型的な電磁界とは異なり、空間を介して伝達されません。フィールドもピークに急激に上昇し、非常に速い減衰する指数関数の形状を有する。"

スケーラブルで統合されたナノマニュファクチャリングのためにセンターを指示張、(新岩)、UCバークレー校の国立科学財団ナノスケール科学工学センターは、"タイトルの下に自然ジャーナルに表示されるこの研究に関する論文の対応する著者です。 1分子イメージングによる15n​​mサイズのホットスポット内では電磁界の分布をマッピング。"張との共同オーサリング紙は胡倉、アンナLabno、Changgui呂暁波陰、明劉とクリストファーグラッデンでした。

光学照明下では、粗い金属表面は、光が強く直径数十ナノメートルの測定領域で閉じ込められている微細なホットスポット、が点在するとなり、光のラマン(非弾性)散乱が大きさの最大14命令によって強化されています。最初の30年以上前に観測された、そのようなホットスポットは、プラズモン(電子の表面波)と他のローカライズされた電磁モードの表面粗さの影響にリンクされている。しかし、過去30年間に、ほとんどこれらのホットスポットの起源について学習している。

"驚いたことに、この問題に関する論文と、様々な理論の何千にもかかわらず、我々は実験的にそのようなナノサイズのホットスポットの内部電磁界の性質を決定する最初のもの、"胡倉、リード自然の紙の上で著者とメンバーは言う張の研究グループの。 "我々が測定した15ナノメートルのホットスポットは、タンパク質分子の大きさについてです。私たちも、分子よりも小さい可能性があるホットスポットが存在すると信じています。"

これらの金属のホットスポットのサイズは、入射光の波長よりもはるかに小さいので、新しい技術は、ホットスポット内で電磁界をマップするために必要でした。バークレー校の研究者は、個々の蛍光色素分子が単一のナノメートルの精度でローカライズすることができるという事実を活用するためにBEASTの方法を開発した。表面に吸着した個々の分子の蛍光強度は、単一のホットスポット内部の電磁界の直接的な指標を提供します。 BEASTは、染料が一度に1つの分子、確率的に単一のホットスポットの内部をスキャンするために、溶液中の単一色素分子のブラウン運動を利用しています。

"我々はホットスポット内の電磁界に対して見つかった指数形状としてガウス分布のより一般的な形態とは対照的にローカライズされた電磁界の存在のための直接的な証拠であり、"倉氏は述べています。 "ホットスポットのために提案し、我々は現在、さらにこれらの基本的メカニズムを調べるために働いているいくつかの競合するメカニズムがあります。"

BEASTは自由に拡散蛍光色素の溶液中でサンプルの水没から始まります。染料の拡散は、画像取得の時間(50から100ミリ秒対0.1ミリ秒)よりもはるかに高速であるため、蛍光は、均一なバックグラウンドを生成します。色素分子は、ホットスポットの表面に吸着されると、それは地元の電界強度を報告してスポットの強度と、画像の明るい点として表示されます。

"最尤単一分子の局在化の方法を使用することにより、分子が単一のナノメートルの精度でローカライズすることができる、"張氏は述べています。 "色素分子が(通常は数百ミリ秒以内)漂白された後、蛍光が消えて、ホットスポットは、次の吸着のイベントの準備ができています。"

色素分子の右側の濃度を選択することが唯一の吸着分子が一​​度に光子を放出するように制御するホットスポットの表面上に吸着速度が可能になります。 BEASTは、単一分子吸着のイベントを記録するカメラを使用しているので、最大1ミリの正方形にの視野内の複数のホットスポットは、並行して撮像することができます。

彼らの論文では、チャンと彼の同僚は、高効率太陽電池および弱い化学信号を検出することができるデバイスの作りから始めて、幅広いアプリケーションで使用するために置かれるホットスポットを参照してください。

"ホットスポットがよく、任意の従来の光学を超える焦点を合わせる能力を持つ小さなスポットに光を当てることができるレンズのようなもの、"倉氏は述べています。 "従来のレンズは、可視光(200〜300ナノメートル)の半波長程度のスポットへのライトだけを集中できる一方で、我々は今ホットスポットは、ナノメートルサイズのスポットへのライトに集中できることを確認してください。"

この例外的な焦点を合わせる能力を通じ、ホットスポットは、それによって光捕集と水分解効率を最大化に貢献し、太陽電池デバイスの光触媒部位に太陽光を集中するために使用することができます。それだけで、それによって信号を強化し、バックグラウンドを最小限に抑え、目的の分子を照らすように弱い化学信号などの検出のために、単一分子から、ホットスポットは、入射光の焦点を合わせるために使用することができる。

BEASTはまた、ナノ材料、ナノ光学とメタマテリアルデバイスの将来の発展のための重要な要素を通過することが可能と光の振る舞い​​を研究することができます。現在の実験技術は、限られた解像度に苦しんで、真にナノスケールで実装するのは困難です。

"BEASTは、ナノ材料は、高度なナノ光学デバイスの開発を導く光の分布を、変更する方法を測定するために前例のない機会を提供し、"倉氏は述べています。 "私達はまた、触媒、分子やナノマテリアルの間にどのようにエネルギーや電荷転送、および表面の疎水性を決定するもので活性部位何であるかのような表面科学のいくつかの困難な問題を、答えてBEASTを使用します。これらの問題は必要電子顕微鏡レベルの分解能と分光情報を持つ技術。BEASTは、これらの問題に最適なツールです。"

ソース: http://www.lbl.gov/

Last Update: 3. October 2011 10:08

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