Les calculs sont bons, mais voir c'est croire. C'est l'idée derrière un nouvel article d'étudiants de l'Université Rice qui ont décidé de mettre à l'épreuve des calculs effectués il y a plus d'un siècle.

En 1908, le physicien allemand Gustav Mie a proposé un ensemble élégant d'équations pour décrire l'interaction des ondes électromagnétiques avec une particule métallique sphérique. La théorie a depuis été une pierre de touche pour les chercheurs cherchant à quantifier la façon dont les particules plasmoniques à l'échelle nanométrique diffusent le rayonnement.

"La théorie de Mie est largement utilisée chaque fois que vous traitez de nanoparticules et de leurs propriétés optiques, " a déclaré Alexeï Tcherniak, un étudiant diplômé de Rice et auteur principal du nouvel article dans l'édition en ligne de Lettres nano ce mois-ci. "C'est le fondement de tout calcul."

Tcherniak et Stephan Link, un professeur adjoint Rice de chimie et de génie électrique et informatique, co-auteur de l'article avec l'ancien étudiant diplômé Ji Won Ha et les étudiants diplômés actuels de Rice Liane Slaughter et Sergio Dominguez-Medina.

Une meilleure caractérisation des nanoparticules uniques est importante pour les chercheurs qui recherchent des capteurs optiques microscopiques, sous-longueur d'onde "super lentilles, " la catalyse et les thérapies photothermiques du cancer qui utilisent des nanoparticules.

« Comme la technologie évolue vers la détection de particules uniques, nous voulions voir si les prédictions de Mie tiendraient, " dit Tcherniak. " Les propriétés moyennes correspondent exactement aux prédictions de la théorie de Mie. Mais nous montrons que les particules individuelles s'écartent un peu. » Les particules de taille différente peuvent renvoyer des signaux similaires car elles varient en forme et en orientation sur le substrat, avec lesquels ils interagissent également. la théorie de Mie, développé pour les particules sphériques en solution bien avant la spectroscopie monoparticulaire, n'a pas tenu compte de ces facteurs.

Le projet a commencé en marge de la tentative des étudiants de suivre des nanoparticules uniques en solution. C'est devenu leur objectif principal lorsqu'ils ont réalisé l'étendue de la tâche, qui impliquait d'analyser cinq ensembles de particules d'or allant de 51 à 237 nanomètres de large - les tailles « biologiquement pertinentes », Tcherniak a expliqué.

Chaque ensemble de particules a été photographié avec un microscope électronique à balayage, puis analysé pour ses propriétés d'absorption et de diffusion par imagerie photothermique à particule unique et diffusion laser en champ sombre.

C'était fastidieux, ils ont admis.

"Lorsque vous devez trouver une particule de 50 nanomètres de diamètre sur un échantillon de 5 sur 5 millimètres, tu cherches une aiguille dans une botte de foin, ", a déclaré Tcherniak. Slaughter et Dominguez-Medina ont hoché la tête en accord et ont rappelé un été de longues journées nécessaires pour catégoriser plusieurs centaines de particules - assez "pour obtenir tous ces points sur le graphique".

Ils ont utilisé quelques stratégies pour localiser les particules. L'une consistait à placer des coordonnées de grille à l'échelle du micron sur la lame de verre contenant des échantillons de nanoparticules. "Cela nous a permis de savoir à peu près où ils étaient, " a déclaré Tcherniak.

Un autre impliquait d'appliquer un peu d'astronomie à leur microscopie. Ils se sont retrouvés à chercher des "constellations" dans les motifs de points. "Nous avons commencé à dire, 'Oh, ça ressemble à un nez. Avons-nous un nez ailleurs ? » », a déclaré Slaughter. « Nous étions si fatigués ; les noms n'étaient peut-être pas très bons."

Mais leurs résultats le sont.

"La théorie de Mie existait bien avant que quiconque connaisse les nanoparticules, c'est donc bien de pouvoir le tester, " a déclaré Link à propos du travail de ses étudiants. "C'est important parce qu'ils ont vraiment mis en place les éléments constitutifs qui permettront aux scientifiques d'examiner des structures plus complexes. Ce n'était pas une tâche facile."