Mikroskopija 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 mjerenju međumolekularnih sila koje djeluju između atoma mjerne sonde i atoma ispitivanog uzorka.

Mjerenje se sprovodi od tačke do tačke, nakon čega se podaci iz 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 tuneliranja elektrona kroz dielektrik.

Ovom, danas izuzetno uspješnom tehnologijom vizualizacije, 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 obija novih tehnologija, tako da će biti moguće rutinsko snimanje u atomskoj rezoluciji.^[1]

Otkriće metode

Metoda mikroskopije atomskih sila (MAS) je nastala 1986. godine kao proizvod istraživanja koja su u laboratorijama američke firme IBM u Zürichu, sproveli Gerd Binnig, Calvin Quate i Christoph Gerber. Ovom otkriću je prethodilo otkriće Skenirajuće Tunelske Mikroskopije (STM) Gerda Binniga i Heinricha Rohrera 1982. godine koji su za rad na tehnologiji STM nagrađeni Nobelovom nagradom za fiziku.^[2]

Princip rada

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

Mjerenja se sprovode pomoću nano-konzole koja predstavlja ključnu komponentu sistema za mjerenje sila čiji se intenzitet kreće u opsegu nekoliko nanonjutna (10–9 m).^[3]

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 mjerenja kako u uslovima standardne atmosfere (289 K, 1 atm), tako i u uslovima vakuuma, atmosfere različitih gasova i u tečnosti. Sve ove opcije omogućavaju napredno ispitivanje uzoraka koje nije moguće upotrebom optičkih i/ili elektronskih mikroskopa.^[4]

Osim toga, priprema uzorka je znatno manje zahtjevna 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 mjerenja svih veličina, kako geometrijskih tako i fizičkih (električne, magnetne i mehaničke osobine uzorka) što predstavlja korak unaprijed u odnosu na elektronsku mikroskopiju.^[5]^[6]

Režimi rada

Razlikujemo dva osnovna režima rada ovog mikroskopa: statički i dinamički. U statičkom režimu nano-konzola prelazi preko uzorka i vrši mjerenja na način koji je prethodno opisan. U dinamičkom režimu se nano-konzoli saopćavaju prinudne harmonijske oscilacije koje je dovode u oscilatorni režim kretanja što omogućava proširenje mogućnosti mjerenja na veći broj izvedenih fizičkih veličina.^[7]^[8]

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, page 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
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, 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, Review of Scientific Instruments, vol. 66, no. 9, pp. 4718–4730, 1995.
R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, 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, 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
R. W. Carpick and M. Salmeron, Scratching the surface: Fundamental investigations of tribology with atomic force microscopy, Chemical Reviews, vol. 97, iss. 4, pp. 1163–1194 (2007).
Y. Roiter and S. Minko, AFM Single Molecule Experiments at the Solid-Liquid Interface: In Situ Conformation of Adsorbed Flexible Polyelectrolyte Chains, Journal of the American Chemical Society, vol. 127, iss. 45, pp. 15688–15689 (2005).

Vanjski linkovi

Reference

^ "IBM's 35 atoms and the rise of nanotech". CNET (jezik: engleski). Pristupljeno 23. 8. 2017.
^ Binnig, G.; Quate, C. F.; Gerber, C. (1986). "Atomic Force Microscope". Physical Review Letters. 56 (9): 930–933. Bibcode:1986PhRvL..56..930B. doi:10.1103/physrevlett.56.930. PMID 10033323.
^ Cappella, B; Dietler, G (1999). "Force-distance curves by atomic force microscopy" (PDF). Surface Science Reports. 34 (1–3): 1–104. Bibcode:1999SurSR..34....1C. doi:10.1016/S0167-5729(99)00003-5. Arhivirano s originala (PDF), 3. 12. 2012. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)
^ Ayache, Maurice; Lux, Simon Franz; Kostecki, Robert (2. 4. 2015). "IR Near-Field Study of the Solid Electrolyte Interphase on a Tin Electrode". The Journal of Physical Chemistry Letters. 6 (7): 1126–1129. doi:10.1021/acs.jpclett.5b00263. ISSN 1948-7185. PMID 26262960.
^ Pollard, Benjamin; Raschke, Markus B. (22. 4. 2016). "Correlative infrared nanospectroscopic and nanomechanical imaging of block copolymer microdomains". Beilstein Journal of Nanotechnology (jezik: engleski). 7 (1): 605–612. doi:10.3762/bjnano.7.53. ISSN 2190-4286. PMC 4901903. PMID 27335750.Huth, F.; Schnell, M.; Wittborn, J.; Ocelic, N.; Hillenbrand, R. (2011). "Infrared-spectroscopic nanoimaging with a thermal source". Nature Materials. 10 (5): 352–356. Bibcode:2011NatMa..10..352H. doi:10.1038/nmat3006. PMID 21499314.
^ Bechtel, Hans A.; Muller, Eric A.; Olmon, Robert L.; Martin, Michael C.; Raschke, Markus B. (20. 5. 2014). "Ultrabroadband infrared nanospectroscopic imaging". Proceedings of the National Academy of Sciences (jezik: engleski). 111 (20): 7191–7196. Bibcode:2014PNAS..111.7191B. doi:10.1073/pnas.1400502111. ISSN 0027-8424. PMC 4034206. PMID 24803431.
^ Hinterdorfer, P; Dufrêne, Yf (maj 2006). "Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy". Nature Methods. 3 (5): 347–55. doi:10.1038/nmeth871. ISSN 1548-7091. PMID 16628204.
^ Ferrari, L.; Kaufmann, J.; Winnefeld, F.; Plank, J. (Jul 2010). "Interaction of cement model systems with superplasticizers investigated by atomic force microscopy, zeta potential, and adsorption measurements". J Colloid Interface Sci. 347 (1): 15–24. Bibcode:2010JCIS..347...15F. doi:10.1016/j.jcis.2010.03.005. PMID 20356605.

Commons logo

Commons ima datoteke na temu: Mikroskopija atomskih sila

[1] "IBM's 35 atoms and the rise of nanotech". CNET (jezik: engleski). Pristupljeno 23. 8. 2017.

[2] Binnig, G.; Quate, C. F.; Gerber, C. (1986). "Atomic Force Microscope". Physical Review Letters. 56 (9): 930–933. Bibcode:1986PhRvL..56..930B. doi:10.1103/physrevlett.56.930. PMID 10033323.

[3] Cappella, B; Dietler, G (1999). "Force-distance curves by atomic force microscopy" (PDF). Surface Science Reports. 34 (1–3): 1–104. Bibcode:1999SurSR..34....1C. doi:10.1016/S0167-5729(99)00003-5. Arhivirano s originala (PDF), 3. 12. 2012. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)

[4] Ayache, Maurice; Lux, Simon Franz; Kostecki, Robert (2. 4. 2015). "IR Near-Field Study of the Solid Electrolyte Interphase on a Tin Electrode". The Journal of Physical Chemistry Letters. 6 (7): 1126–1129. doi:10.1021/acs.jpclett.5b00263. ISSN 1948-7185. PMID 26262960.

[5] Pollard, Benjamin; Raschke, Markus B. (22. 4. 2016). "Correlative infrared nanospectroscopic and nanomechanical imaging of block copolymer microdomains". Beilstein Journal of Nanotechnology (jezik: engleski). 7 (1): 605–612. doi:10.3762/bjnano.7.53. ISSN 2190-4286. PMC 4901903. PMID 27335750.Huth, F.; Schnell, M.; Wittborn, J.; Ocelic, N.; Hillenbrand, R. (2011). "Infrared-spectroscopic nanoimaging with a thermal source". Nature Materials. 10 (5): 352–356. Bibcode:2011NatMa..10..352H. doi:10.1038/nmat3006. PMID 21499314.

[6] Bechtel, Hans A.; Muller, Eric A.; Olmon, Robert L.; Martin, Michael C.; Raschke, Markus B. (20. 5. 2014). "Ultrabroadband infrared nanospectroscopic imaging". Proceedings of the National Academy of Sciences (jezik: engleski). 111 (20): 7191–7196. Bibcode:2014PNAS..111.7191B. doi:10.1073/pnas.1400502111. ISSN 0027-8424. PMC 4034206. PMID 24803431.

[7] Hinterdorfer, P; Dufrêne, Yf (maj 2006). "Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy". Nature Methods. 3 (5): 347–55. doi:10.1038/nmeth871. ISSN 1548-7091. PMID 16628204.

[8] Ferrari, L.; Kaufmann, J.; Winnefeld, F.; Plank, J. (Jul 2010). "Interaction of cement model systems with superplasticizers investigated by atomic force microscopy, zeta potential, and adsorption measurements". J Colloid Interface Sci. 347 (1): 15–24. Bibcode:2010JCIS..347...15F. doi:10.1016/j.jcis.2010.03.005. PMID 20356605.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]