Les nanotubes de carbone devraient être utilisés dans une myriade d'applications allant des vêtements de protection militaires au stockage d'hydrogène. En raison de leurs dimensions nanométriques, cependant, la structure et la chimie de surface des nanotubes de carbone individuels ne peuvent pas être facilement étudiées en utilisant des techniques conventionnelles. Norihiko Hayazawa et ses collègues de l'équipe de recherche en nanophotonique en champ proche du RIKEN Center for Advanced Photonics ont maintenant développé une technique de microscopie haute résolution qui peut résoudre des nanotubes de carbone individuels dans des conditions ambiantes.

La spectroscopie Raman est largement utilisée pour sonder les caractéristiques des matériaux avec une grande précision. Cela implique d'exciter la surface du matériau avec un laser, puis de mesurer le changement d'énergie laser après sa diffusion à partir de la surface. La spectroscopie Raman à pointe améliorée (TERS) est utilisée pour obtenir une résolution proche de la molécule en faisant passer une pointe métallique sur la surface du matériau pour améliorer les signaux Raman des molécules voisines. Le TERS utilisant une pointe de microscope à force atomique (AFM) est capable d'évaluer simultanément la structure et la chimie de surface des matériaux à une résolution d'environ 10 à 20 nanomètres, bien en deçà de la limite de diffraction des microscopes optiques conventionnels.

Il a récemment été démontré que le remplacement de la pointe de l'AFM par une pointe de microscope à effet tunnel (STM) améliore considérablement la résolution de la technique. La position de la pointe métallique STM peut être contrôlée plus précisément que celle d'un AFM, permettant de balayer un matériau avec un écart entre la pointe et la surface inférieur à 1 nanomètre. Un couplage fort entre les résonances électroniques appelées « plasmons » de la pointe et la surface du matériau à travers cet écart étroit dans STM-TERS améliore encore la résolution de la technique (Fig. 1).

« Avec notre système STM-TERS, nous avons atteint une résolution de 1,7 nanomètres, ce qui signifie que les nanotubes de carbone peuvent être visualisés aux dimensions de leur diamètre, " explique Hayazawa. " Cela permet pour la première fois d'extraire la propriété locale des nanotubes de carbone par voie optique sans moyennage. "

Alors que les techniques STM à l'échelle nanométrique et les méthodes STM-TERS précédentes nécessitaient des températures cryogéniques et des vides ultra-élevés, la technique STM-TERS développée par l'équipe de Hayazawa peut être utilisée avec une enceinte compacte à pression et température ambiantes. Cela élargit considérablement la gamme de matériaux pouvant être sondés. "Séquençage ADN, dynamique des protéines sur membranes biologiques, et les cellules solaires organiques nécessitent toutes des conditions ambiantes, " explique Hayazawa.

En plus d'utiliser la technique pour sonder d'autres matériaux à ultra haute résolution, les chercheurs espèrent pouvoir révéler des propriétés physiques inédites des nanotubes de carbone.