Направи дарение на училище!

Разработването на сканиращи сондови микроскопи в началото на 80-те години донесе пробив в изобразяването, отваряйки прозорец към света на наномащабите. Ключовата идея е да сканирате изключително остър връх върху субстрат и да запишете на всяко място силата на взаимодействието между върха и повърхността. При сканиращата силова микроскопия това взаимодействие е – както подсказва името – силата между върха и структурите на повърхността. Тази сила обикновено се определя чрез измерване на това как се променя динамиката на вибриращ връх при сканиране върху обекти, отложени върху субстрат. Често срещана аналогия е почукването с пръст по масата и усещането на предмети, поставени на повърхността.

Екип, воден от Александър Айхлер, старши учен в групата на проф. Кристиан Деген от Катедрата по физика на ETH Цюрих, обърна тази парадигма с главата надолу. В Physical Review Applied, те съобщават за първия сканиращ силов микроскоп, при който върхът е в покой, докато субстратът с пробите върху него вибрира.

Опашка, размахваща куче

Извършването на силова микроскопия чрез „вибриране на масата под пръста“ може да изглежда, че би направило цялата процедура много по-сложна. В известен смисъл това е така. Но овладяването на сложността на този обърнат подход идва с голяма печалба. Новият метод обещава да изтласка чувствителността на силовата микроскопия до нейната основна граница, извън това, което може да се очаква от по-нататъшни подобрения на конвенционалния подход на „почукване с пръсти“.

Ключът към превъзходната чувствителност е изборът на субстрат. „Таблицата“ в експериментите на Айхлер, Деген и техните сътрудници е перфорирана мембрана, изработена от силициев нитрид, с дебелина едва 41 nm. Сътрудниците на физиците от ETH, групата на Алберт Шлисер от Университета в Копенхаген (Дания), са установили тези мембрани с ниска маса като изключителни наномеханични резонатори с екстремни „качествени фактори“. Тоест, след като мембраната е наклонена, тя вибрира милиони пъти или повече, преди да си почине. Като се имат предвид тези изящни механични свойства, става изгодно да се вибрира „масата“, а не „пръстът“. Поне на теория.

Разбери повече за БГ Наука:

***

Нова концепция, приложена на практика

Превръщането на това теоретично обещание в експериментална способност е целта на текущ проект между групите на Деген и Шлисер, с теоретичната подкрепа на д-р Рамасубраманян Читра и проф. Одед Зилберберг от Института за теоретична физика в ETH Цюрих. Като крайъгълен камък в това пътуване, експерименталните екипи сега демонстрират, че концепцията за мембранна сканираща силова микроскопия работи в реално устройство.

По-специално, те показаха, че нито зареждането на мембраната с проби, нито привеждане на върха на разстояние от няколко нанометра компрометира изключителните механични свойства на мембраната. Въпреки това, след като върхът се приближи до пробата още по-близо, честотата или амплитудата на мембраната се променя. За да може да измери тези промени, мембраната разполага не само с остров, където връхът и пробата си взаимодействат, но и втори – механично свързан към първия – от където лазерен лъч може да бъде частично отразен, за да осигури оптично чувствителен интерферометър.

Квантът е границата

Чрез този метод на работа, екипът успешно анализира златни наночастици и вируси на тютюневата мозайка. Тези изображения служат като принципно доказателство за новата концепция за микроскопия. Макар те все още да не тласкат възможностите към нова територия, дестинацията е точно такава.
Изследователите планират да комбинират своя нов подход с техника, известна като магнитно-резонансна силова микроскопия (MRFM), за да се даде възможност за ядрено-магнитен резонанс (MRI) с разделителна способност до отделни атоми, като по този начин може да предостави уникална представа, например за вирусите.

Ядрено-магнитен резонанс с атомен мащаб би бил друг пробив в изобразяването, съчетаващ крайната пространствена разделителна способност с изключително специфична физическа и химическа информация за изобразените атоми. За реализирането на такъв поглед е необходима чувствителност, близка до основната граница, дадена от квантовата механика.
Екипът е уверен, че могат да реализират такъв „квантово ограничен“ силов датчик, чрез по-нататъшен напредък както в мембранното инженерство, така и в методологията за измерване. С демонстрацията, че мембранно базираната сканираща силова микроскопия е възможна, амбициозната цел вече се приближи с една голяма стъпка към успеха.

Източник: sciencedaily.com
Превод: Радослав Тодоров

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!