Атомная игла ощупывает химию поверхности и снимает нановидео

Атомные силовые микроскопы способны показывать поверхность образцов практически на молекулярном уровне. Существует несколько вариантов таких устройств, но всех их объединяет одно - сверхтонкая игла, сужающаяся на острие едва ли не до единственного атома. Эта игла, говоря упрощённо, ощупывает рельеф изучаемой поверхности.

Она приводится в движение очень чувствительным и прецизионным приводом, который управляется компьютером. Дальше начинаются вариации - как именно снимать эти движения иглы (в частности, тут используется лазер и зеркала), и вообще - точно позиционировать её при движении вдоль образца.

Например, в ряде моделей игла управляется с помощью обратной связи по величине туннельного тока - потока электронов, проскакивающих между иглой и образцом при приближении иглы почти до касания поверхности.

И всё же результат работы такой машины один: геометрия поверхности, построенная компьютером после сканирования (последовательного прохода иглой большого ряда "дорожек", словно луч в кинескопе телевизора).

Зондирующая игла FIRAT при большом увеличении (фото Georgia Tech).

На днях же американцы показали необычный атомный микроскоп, который не просто на голову превосходит прежние модели по ключевым параметрам, но в единственном проходе получает сразу: рельеф образца, его физические и некоторые химические свойства.

Называется эта новая удивительная система "Интегрированный считывающий и активный чувствительный к усилию наконечник" (Force sensing Integrated Readout and Active Tip - FIRAT).

Глава проекта, доктор Левент Дегертекин (Levent Degertekin) из школы инжиниринга Вудруфа (Woodruff School of Mechanical Engineering) института технологии Джорджии (Georgia Institute of Technology), говорит, что этот аппарат работает в 100 раз быстрее, чем все прежние типы атомных силовых микроскопов.

"Я думаю, что эта технология, в конечном счёте, заменит сегодняшние виды атомных микроскопов", - заявляет доктор Дегертекин.

Пример результата работы FIRAT (сверху и слева направо): топография образца, энергия адгезии, время контакта и прочность поверхности (фото Georgia Tech).

FIRAT устраняет два главных неудобства прежних систем: в отличие от них он способен работать так быстро, что может даже снимать нановидеоролики, а кроме того, он одновременно выдаёт ещё и информацию о физико-химических особенностях поверхности.

Как говорят авторы агрегата, FIRAT работает как помесь палки Пого (на которую встают и прыгают, отталкиваясь от земли) и микрофона.

В одном варианте исследования мембрана с острым наконечником перемещается к образцу, но ещё до того, как касается его, испытывает с его стороны силу молекулярного притяжения. И как диафрагма микрофона новый сенсор чувствует эти свои отклонения ещё на дистанции.

	Палка Пого, вдохновившая создателей нового атомного силового микроскопа (фото с сайта uuhsc.utah.edu).

А когда наконечник дотрагивается до поверхности, её эластичность и прочность определяют прогиб материала под иглой - её колебания.

В результате, обрабатывая сигнал о положении иглы во время сканирования, учёные могут получить массу данных. Не только рельеф образца, но и карту адгезии, прочности, эластичности, вязкости. "Фактически, мы можем получить всё", - говорит Дегертекин.

Интересно, что авторы FIRAT сумели уменьшить размер привода сканирующего наконечника до размеров иголки, вместо прежних очень крупных узлов. А снижение инерционности привода позволило новой машине проходить до 60 линий, идущих поперёк образца, каждую секунду.

Новая технология окажется неоценимой для многих типов исследований, в особенности для измерения параметров микроэлектронных устройств и наблюдения в режиме реального времени за биологическими взаимодействиями в молекулярном масштабе.

Самое примечательное в изобретении - новая система сканирования может быть добавлена без кардинальных переделок к существующим атомным силовым микроскопам.