Universiteit Leiden

nl en

Fysici brengen losse moleculen in beeld door ze licht te zien absorberen

Moleculen zijn uiterst moeilijk om te zien in zichtbaar licht, vooral zonder gebruik van fluorescentie. Leidse natuurkundigen hebben nu hun optische techniek gevoelig genoeg gemaakt om de moleculen van hun interesse in alle maten in beeld te brengen. Publicatie in Nanoletters.

Wat hebben schepen, vleermuizen en torpedo’s met elkaar gemeen? Ze navigeren door het uitzenden van geluidsgolven en te luisteren waar die geabsorbeerd en gereflecteerd worden. Mensen doen hetzelfde met lichtgolven, behalve dat ze afhankelijk zijn van externe bronnen zoals de zon. Maar als we zoiets kleins willen bekijken als een los molecuul, wordt deze methode problematisch, omdat lichtgolven, om maar niet te spreken van geluidsgolven, groter zijn dan het object zelf.

Twee lichtstralen

In 2010 lukte het Leids natuurkundige Michel Orrit als eerste om een optisch beeld te maken van individuele organische moleculen bij kamertemperatuur zonder gebruik van fluorescentie. Nu hebben hij en zijn onderzoeksgroep hun techniek veel gevoeliger gemaakt, waardoor ze hun objecten van interesse—lichtgevoelige geleidende polymeermoleculen—in alle maten in beeld kunnen brengen. Net als vleermuizen beheren ze hun eigen golvenbron en gebruiken ze variërende frequenties. Hun eerste lichtstraal heeft een specifieke kleur die alleen wordt geabsorbeerd door de beoogde moleculen. Die warmen daardoor een beetje op. En vanwege thermische expansie verandert dit de brekingsindex van de omringende vloeistof, zodat een tweede lichtstraal anders wordt weerkaatst op de precieze plekken waar de interessante moleculen zich schuilhouden.

Kritische vloeistof

Toch is dit gemakkelijker gezegd dan gedaan. Geleidende polymeren raken snel beschadigd door licht, dus wetenschappers moeten extra voorzichtig zijn en mogen ze alleen beschijnen met zeer lage intensiteit. Maar dat licht is bij lange na niet sterk genoeg voor de absorbeer-en-verhittechniek in normale vloeistoffen. Gelukkig zijn zogenoemde kritische vloeistoffen buitengewoon gevoelig voor temperatuursveranderingen binnen een smal domein, waarin zelfs de kleinste opwarming de brekingsindex van de vloeistof dramatisch beïnvloedt. En dus gebruikte Orrit kritische vloeistoffen en zorgde hij ervoor dat de temperatuur en druk nauwkeurig waren afgesteld tijdens het experiment.

Allemaal

‘Tot nu konden we alleen de grootste polymeermoleculen in beeld brengen via absorptie,’ zegt Orrit. ‘Maar door onze verbetering in gevoeligheid kunnen we ze nu allemaal lokaliseren. En het geeft ons ook informatie over de helderheid van elk molecuul. Dat is erg belangrijk als je hun opto-elektronische toepassingen wilt optimaliseren.’

Publicatie

Lei Hou, Subhasis Adhikari, Yuxi Tian, Ivan G. Scheblykin, and Michel Orrit, 'Absorption and Quantum Yield of Single Conjugated Polymer Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV) Molecules', Nanoletters

Terwijl ze worden aangeslagen door een eerste lichtstraal, verwarmen losse geleidende polymeermoleculen hun omgeving, wat leidt tot een andere weerkaatsing van een tweede lichtstraal op hun locatie (rode vlekken). Uit de intensiteit van het signaal kunnen wetenschappers de mate van absorptie afleiden, en daarmee de afmeting van elk individueel molecuul.