新成像技术重现彩色纳米世界

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成像技术是数字世界连接现实世界最直观的桥梁,可以说没有成像技术就没有今天丰富的计算机世界。然而,现在的成像技术依然停留在平面、三维方面。最近,科学家们研发了革命性的成像新技术,这种技术将重现一个以前不可见的纳米级彩色世界。

科学家们为下一代电子产品开发了新的材料,这些材料非常微小,不仅在紧密排列时无法区分,而且它们也不能反射足够的光线,即使是最强大的光学显微镜也无法显示精细的细节,如颜色。例如,在光学显微镜下,碳纳米管看起来是灰色的。由于无法区分单个纳米材料的精细细节和差异,科学家们很难研究它们的独特属性,也很难发现完善它们的工业用途。

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在发表于《自然通讯》的一份新研究中,来自加州大学河滨分校的研究人员描述了一种革命性的成像技术,它将灯的光线压缩到一个纳米大小的光点。它像霍格沃茨的学生练习"Lumos"咒语一样,将光线保持在银纳米线的末端,并利用它来揭示以前看不见的细节,包括颜色。

这一进展将色彩成像的分辨率提高到前所未有的6纳米水平,将帮助科学家看到纳米材料的足够细节,使它们在电子和其他应用中更加有用。

加州大学河滨分校Marlan和Rosemary Bourns工程学院的副教授Ming Liu和Ruoxue Yan利用该团队开发的超聚焦技术开发了这个独特的工具。该技术已经在以前的工作中被用来观察分子键的振动,其空间分辨率为1纳米,而不需要任何聚焦镜头。

在新的报告中,研究人员修改了该工具,以测量跨越整个可见光波长范围的信号,这可以用来渲染颜色和描绘物体的电子带结构,而不仅仅是分子振动。该工具将钨灯的光线挤压到银纳米线上,散射或反射近乎为零,光线由银表面的自由电子的振荡波携带。

凝聚的光线以锥形路径离开半径仅为5纳米的银纳米线尖端,就像手电筒的光束。当尖端经过一个物体时,它对光束形状和颜色的影响被检测和记录。

“这就像用你的拇指来控制水管的喷水,”研究人员说,“你知道如何通过改变拇指的位置来获得所需的喷水模式,同样,在实验中,我们读取光的模式来检索挡住5纳米大小的光喷嘴的物体的细节。”

然后,光线被聚焦到一个光谱仪中,在那里形成一个微小的环形。通过在一个区域内扫描探针并为每个像素记录两个光谱,研究人员可以用颜色制定吸收和散射图像。原本呈灰色的碳纳米管收到了它们的第一张彩色照片,而单个碳纳米管现在有机会展示其独特的颜色。

“原子般光滑的尖头银纳米线及其几乎无散射的光学耦合和聚焦对于成像至关重要,”研究人员说。“否则背景中会有强烈的杂散光,破坏了整个工作。”

研究人员预计,这项新技术可以成为一个重要的工具,帮助半导体行业制造具有一致性质的统一纳米材料,用于电子设备。新的全彩纳米成像技术也可用于提高对催化、量子光学和纳米电子学的理解。

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