Mikroskop atomskih sila

Mikroskop atomskih sila (MAS) (engl. Atomic Force Microscope, AFM) ili skenirajući mikroskop sila (engl. Scanning Force Microscope, SFM) je uređaj koji pripada porodici mikroskopa sa skenirajućom sondom (Scanning Probe Microscope - SPM) čiji se rad zasniva na merenju međumolekularnih sila koje deluju između atoma merne sonde i atoma ispitivanog uzorka. Merenje se sprovodi od tačke do tačke, nakon čega se podaci svih ispitanih tačaka prikupljaju u snimak ispitivane površine. Tehnologija koja je prethodila mikroskopiji atomskih sila je Skenirajuća Tunelska Mikroskopija (engl. Scanning Tunneling Microscopy, STM) čiji se rad zasniva na kvantno-mehaničkom efektu tunelovanja elektrona kroz dielektrik.

Ovom, danas izuzetno uspešnom tehnologijom vizuelizacije, postignuta je rezolucija snimanja od nekoliko pikometara čime je omogućeno snimanje uzoraka u atomskoj rezoluciji. Današnja optička i elektronska mikroskopija su na pragu dostizanja ovako visoke rezolucije. U budućnosti se očekuje dalji razvoj obeju tehnologija tako da će biti moguće rutinsko snimanje u atomskoj rezoluciji.

Otkriće metode

Metoda Mikroskopije Atomskih Sila (MAS) je nastala 1986. godine kao proizvod istraživanja koja su, u laboratorijama američke firme IBM u Cirihu, sproveli Gerd Binig, Kelvin Kvejt i Kristof Gerber. Ovom otkriću je prethodilo otkriće Skenirajuće tunelske mikroskopije (STM) 1982. godine od strane Gerd Biniga i Hajnrih Rorera koji su za rad na tehnologiji STM nagrađeni Nobelovom Nagradom za Fiziku.

Princip rada

Mikroskopija atomskih sila se zasniva na merenju intenziteta nepolarnih međumolekularnih sila čiji je analitički opis dat izrazom za Lenard-Džounsov potencijal. Intenzitet nepolarnih međumolekularnih sila je zavisan od rastojanja na kome se nalaze čestice čiju interakciju utvrđujemo, što nam omogućuje da merenjem intenziteta sile tačno odredimo na kom se rastojanju od uzorka (atoma) nalazimo. Na osnovu izmerene vrednosti intenziteta sile se rekonstruiše rastojanje od uzorka i to je osnova za formiranje slike koja se dobija metodom mikroskopije atomskih sila. Ako u velikom broju tačaka na površini nekog uzorka izvršimo merenje intenziteta međumolekularnih sila, tada smo u mogućnosti da, spajanjem tih tačaka, dobijemo informaciju o morfološkom izgledu te površine.

Merenja se sprovode pomoću nano-konzole koja predstavlja ključnu komponentu sistema za merenje sila čiji se intenzitet kreće u opsegu nekoliko nanonjutna (10^-9 m).

Mogućnosti snimanja

Zbog prirode interakcije sa uzorkom, koja je mehanička i nije zasnovana na elektromagnetnom zračenju (što je slučaj kod optičke i elektronske mikroskopije) u mogućnosti smo da izvršimo merenja kako u uslovima standardne atmosfere (289 K, 1 atm), tako i u uslovima vakuuma, atmosfere različitih gasova i u tečnosti. Sve ove opcije omogućuju napredno ispitivanje uzoraka koje nije moguće optičkim i/ili elektronskim mikroskopom.

Osim toga, priprema uzorka je znatno manje zahtevna nego što je to slučaj kod elektronske mikroskopije tako da je jasno da mikroskopija atomskih sila ima svojih prednosti. Međutim, snimci dobijeni elektronskim mikroskopom imaju mogućnost snimanja trodimenzionalnih objekata dok je u mikroskopiji atomskih sila snimanje (zasad) ograničeno na površine.

Dalje, snimci dobijeni mikroskopijom atomskih sila omogućavaju merenja svih veličina, kako geometrijskih tako i fizičkih (električne, magnetne i mehaničke osobine uzorka, u nastavku) što predstavlja korak unapred u odnosu na elektronsku mikroskopiju.

Režimi rada

Razlikujemo dva osnovna režima rada ovog mikroskopa: statički i dinamički. U statičkom režimu nano-konzola prelazi preko uzorka i vrši merenja na način koji je prethodno opisan. U dinamičkom režimu se nano-konzoli saopštavaju prinudne harmonijske oscilacije koje je dovode u oscilatorni režim kretanja što omogućava proširenje mogućnosti merenja na veći broj izvedenih fizičkih veličina.

Literatura

-{

A. D L. Humphris, M. J. Miles, J. K. Hobbs, A mechanical microscope: High-speed atomic force microscopy, Applied Physics Letters 86, 034106 (2005).
D. Sarid, Scanning Force Microscopy, Oxford Series in Optical and Imaging Sciences, Oxford University Press, New York (1991)
R. Dagani, Individual Surface Atoms Identified, Chemical & Engineering News, 5 March. 2007. pp. 13 Published by American Chemical Society
Q. Zhong, D. Inniss, K. Kjoller, V. B. Elings, Surf. Sci. Lett. 290, L688 (1993).
V. J. Morris, A. R. Kirby, A. P. Gunning, Atomic Force Microscopy for Biologists. (Book) (December 1999) Imperial College Press.
J. W. Cross SPM - Scanning Probe Microscopy Website Arhivirano na sajtu Wayback Machine (10. april 2008)
P. Hinterdorfer, Y. F. Dufrêne, Nature Methods, 3, 5 (2006)
F. Giessibl, Advances in Atomic Force Microscopy, Reviews of Modern Physics 75 (3), 949-983 (2003).
R. H. Eibl, V.T. Moy, Atomic force microscopy measurements of protein-ligand interactions on living cells. Methods Mol Biol. 305:439-50 (2005)
P. M. Hoffmann, A. Oral, R. A. Grimble, H. Ö. Özer, S. Jeffery, J. B. Pethica, Proc. Royal Soc. A 457, 1161 (2001).
R. V. Lapshin, O. V. Obyedkov, Fast-acting piezoactuator and digital feedback loop for scanning tunneling microscopes Arhivirano na sajtu Wayback Machine (17. maj 2019), Review of Scientific Instruments, vol. 64, no. 10, pp. 2883-2887, 1993.
R. V. Lapshin, Analytical model for the approximation of hysteresis loop and its application to the scanning tunneling microscope Arhivirano na sajtu Wayback Machine (17. maj 2019), Review of Scientific Instruments, vol. 66, no. 9, pp. 4718-4730, 1995.
R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology Arhivirano na sajtu Wayback Machine (17. maj 2019), Nanotechnology, vol. 15, iss. 9, pp. 1135-1151, 2004.
R. V. Lapshin, Automatic drift elimination in probe microscope images based on techniques of counter-scanning and topography feature recognition Arhivirano na sajtu Wayback Machine (17. maj 2019), Measurement Science and Technology, vol. 18, iss. 3, pp. 907-927, 2007.
P. West, Introduction to Atomic Force Microscopy: Theory, Practice and Applications --- www.AFMUniversity.org
Carpick, Robert W.; Salmeron, Miquel (1997). „Scratching the Surface: Fundamental Investigations of Tribology with Atomic Force Microscopy”. Chemical Reviews. 97 (4): 1163—1194. PMID 11851446. doi:10.1021/cr960068q.
Roiter, Yuri; Minko, Sergiy (2005). „AFM Single Molecule Experiments at the Solid−Liquid Interface: In Situ Conformation of Adsorbed Flexible Polyelectrolyte Chains”. Journal of the American Chemical Society. 127 (45): 15688—15689. PMID 16277495. doi:10.1021/ja0558239.

Spoljašnje veze