Микроскоп атомских сила

Микроскоп атомских сила (МАС) (engl. Atomic Force Microscope, AFM) или скенирајући микроскоп сила (engl. Scanning Force Microscope, SFM) је уређај који припада породици микроскопа са скенирајућом сондом (Scanning Probe Microscope - SPM) чији се рад заснива на мерењу међумолекуларних сила које делују између атома мерне сонде и атома испитиваног узорка. Мерење се спроводи од тачке до тачке, након чега се подаци свих испитаних тачака прикупљају у снимак испитиване површине. Технологија која је претходила микроскопији атомских сила је Скенирајућа Тунелска Микроскопија (engl. Scanning Tunneling Microscopy, STM) чији се рад заснива на квантно-механичком ефекту тунеловања електрона кроз диелектрик.

Овом, данас изузетно успешном технологијом визуелизације, постигнута је резолуција снимања од неколико пикометара чиме је омогућено снимање узорака у атомској резолуцији. Данашња оптичка и електронска микроскопија су на прагу достизања овако високе резолуције. У будућности се очекује даљи развој обеју технологија тако да ће бити могуће рутинско снимање у атомској резолуцији.

Откриће методе

Метода Микроскопије Атомских Сила (МАС) је настала 1986. године као производ истраживања која су, у лабораторијама америчке фирме IBM у Цириху, спровели Герд Биниг, Келвин Квејт и Кристоф Гербер. Овом открићу је претходило откриће Скенирајуће тунелске микроскопије (СТМ) 1982. године од стране Герд Бинига и Хајнрих Рорера који су за рад на технологији СТМ награђени Нобеловом Наградом за Физику.

Принцип рада

Микроскопија атомских сила се заснива на мерењу интензитета неполарних међумолекуларних сила чији је аналитички опис дат изразом за Ленард-Џоунсов потенцијал. Интензитет неполарних међумолекуларних сила је зависан од растојања на коме се налазе честице чију интеракцију утврђујемо, што нам омогућује да мерењем интензитета силе тачно одредимо на ком се растојању од узорка (атома) налазимо. На основу измерене вредности интензитета силе се реконструише растојање од узорка и то је основа за формирање слике која се добија методом микроскопије атомских сила. Ако у великом броју тачака на површини неког узорка извршимо мерење интензитета међумолекуларних сила, тада смо у могућности да, спајањем тих тачака, добијемо информацију о морфолошком изгледу те површине.

Мерења се спроводе помоћу нано-конзоле која представља кључну компоненту система за мерење сила чији се интензитет креће у опсегу неколико наноњутна (10^-9 m).

Могућности снимања

Због природе интеракције са узорком, која је механичка и није заснована на електромагнетном зрачењу (што је случај код оптичке и електронске микроскопије) у могућности смо да извршимо мерења како у условима стандардне атмосфере (289 К, 1 атм), тако и у условима вакуума, атмосфере различитих гасова и у течности. Све ове опције омогућују напредно испитивање узорака које није могуће оптичким и/или електронским микроскопом.

Осим тога, припрема узорка је знатно мање захтевна него што је то случај код електронске микроскопије тако да је јасно да микроскопија атомских сила има својих предности. Међутим, снимци добијени електронским микроскопом имају могућност снимања тродимензионалних објеката док је у микроскопији атомских сила снимање (засад) ограничено на површине.

Даље, снимци добијени микроскопијом атомских сила омогућавају мерења свих величина, како геометријских тако и физичких (електричне, магнетне и механичке особине узорка, у наставку) што представља корак унапред у односу на електронску микроскопију.

Режими рада

Разликујемо два основна режима рада овог микроскопа: статички и динамички. У статичком режиму нано-конзола прелази преко узорка и врши мерења на начин који је претходно описан. У динамичком режиму се нано-конзоли саопштавају принудне хармонијске осцилације које је доводе у осцилаторни режим кретања што омогућава проширење могућности мерења на већи број изведених физичких величина.

Литература

-{

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 Архивирано на сајту Wayback Machine (10. април 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 Архивирано на сајту Wayback Machine (17. мај 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 Архивирано на сајту Wayback Machine (17. мај 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 Архивирано на сајту Wayback Machine (17. мај 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 Архивирано на сајту Wayback Machine (17. мај 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.

Спољашње везе