Автор AZoNano 8 февраля 2021 г. ]

В начале 1980-х годов появление сканирующих зондовых микроскопов произвело революцию в формировании изображений, проложив путь в наноразмерную область.

Основная идея состоит в том, чтобы сканировать очень острый наконечник по подложке и регистрировать силу взаимодействия между наконечником и поверхностью в каждом месте. Что касается сканирующей силовой микроскопии, это взаимодействие, как следует из названия, представляет собой силу, существующую между зондом и структурами на поверхности.

Обычно эту силу определяют путем количественной оценки того, как меняется динамика вибрирующего наконечника, когда он сканирует объекты, нанесенные на подложку. Общая аналогия – это постукивание пальцем по столу, чтобы почувствовать предметы, помещенные на поверхность.

Исследовательская группа под руководством Александра Эйхлера, старшего научного сотрудника в группе профессора Кристиана Дегена на кафедре физики ETH Zurich, изменила эту парадигму назад. В журнале Physical Review Applied они сообщают о первом в мире сканирующем силовом микроскопе, в котором острие неподвижно, а подложка с образцами на нем вибрирует.

Собака виляет хвостом

Проведение силовой микроскопии с помощью «вибрации стола под пальцем» может показаться намного более сложным. Однако освоение усложнения этого перевернутого метода окупается.

Новый метод обещает довести чувствительность силовой микроскопии до ее основного предела, сверх того, что можно ожидать от дополнительных усовершенствований традиционного метода «постукивания пальцами».

Ключом к отличной чувствительности является выбор подложки. «Стол», использованный в экспериментах, проведенных Эйхлером, Дегеном и их коллегами, представляет собой перфорированную мембрану из нитрида кремния толщиной всего 41 нм. Сотрудники физиков ETH, группа Альберта Шлиссера из Копенгагенского университета в Дании, определили, что эти маломассивные мембраны являются превосходными наномеханическими резонаторами с экстремальными «факторами качества»

.

Наиболее важно то, что как только мембрана накачивается, она вибрирует миллионы или более раз, прежде чем остановиться. Эти уникальные механические свойства делают более выгодным вибрацию «стола», чем «пальца», по крайней мере в принципе.

Реализация новой концепции

Преобразование этого теоретического потенциала в экспериментальные возможности является целью текущего проекта между командами Дегена и Шлиссера при теоретической поддержке доктора Рамасубраманиана Читры и профессора Одеда Зильберберга из Института теоретической физики ETH Zurich. В качестве ступеньки на этом пути экспериментальные группы в настоящее время продемонстрировали, что идея мембранной сканирующей силовой микроскопии работает в реальном устройстве.

В частности, они продемонстрировали, что ни загрузка мембраны образцами, ни перемещение наконечника на расстояние в несколько нанометров не ставят под угрозу превосходные механические свойства мембраны.

Но как только наконечник приближается к образцу, амплитуда или частота мембраны изменяется. Для количественной оценки этих изменений мембрана включает не только островок, на котором зонд и образец взаимодействуют, но также еще один – механически связанный с первым – от которого лазерный луч может частично отражаться, что дает чувствительный оптический интерферометр.

Квант – это предел

Исследователи применили эту установку к работе и успешно выявили вирусы табачной мозаики и наночастицы золота. Такие изображения служат доказательством принципа новой концепции микроскопии, но они еще не выводят возможности на новую территорию. Однако пункт назначения именно там.

Команда планирует объединить свой новый метод с техникой, называемой магнитно-резонансной силовой микроскопией (MRFM), чтобы сделать магнитно-резонансную томографию (MRI) с разрешением отдельных атомов, тем самым предлагая исключительное понимание, например, о вирусах.

МРТ в атомном масштабе станет еще одной революцией в области визуализации, тем самым объединяя оптимальное пространственное разрешение с высокоспецифичными химическими и физическими данными, относящимися к отображаемым атомам. Для достижения этого видения требуется чувствительность, близкая к основному пределу, обеспечиваемому квантовой механикой.

Исследователи считают, что они могут создать такой «квантово-ограниченный» датчик силы за счет дополнительных достижений как в методологии измерения, так и в мембранной инженерии. Доказательства жизнеспособности сканирующей силовой микроскопии на основе мембран еще больше приближают эту сложную задачу

.

Справка журнала

Hälg, D., и др. . (2021) Сканирующая силовая микроскопия на основе мембран. Physical Review Applied . doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021001.

Источник: https://ethz.ch/en.html[19459008visible