At se og undgå den blinde vinkel i atomkraftmålinger

Forskere har opdaget en 'blind plet' i atomkraftmikroskopi - et kraftfuldt værktøj, der er i stand til at måle kraften mellem to atomer, billeddannelse af individuelle cellers struktur og biomolekylers bevægelse.

Atomer er omkring en tiendedel af en nanometer store, eller en million gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

Den nye undersøgelse viser, at nøjagtigheden af ​​atomkraftmålinger afhænger af, hvilke kraftlove der er i kraft.

Kraftlove, der ligger i den nyopdagede 'blinde plet' - som er almindelige i naturen - kan føre til forkerte resultater. Undersøgelsen beskriver også en ny matematisk metode til at se og undgå denne blinde plet, sikring af atomkraftmålinger mod unøjagtige resultater.

Professor John Sader, fra University of Melbourne's School of Mathematics and Statistics og Australian Research Council Center of Excellence in Exciton Science, ledet forskningen, med University of Melbourne-forsker Barry Hughes og Ferdinand Huber og Franz Giessibl fra University of Regensburg i Tyskland. Værket er offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

"Atomkraftmikroskopet (AFM) giver udsøgt opløsning på atomær og molekylær skala. Det har også den bemærkelsesværdige evne til at måle kraften mellem to atomer, " sagde professor Sader.

AFM bruger en lille cantilever-bjælke (hvis længde er bredden af ​​et menneskehår) til at mærke formen af ​​en overflade og fornemme de kræfter, den støder på - på nogenlunde samme måde, som pennen eller nålen på en pladespiller fungerer, med en skarp spids ved cantileverens ende, der interagerer med overfladen.

For at muliggøre præcise målinger på atomær skala, cantileveren (og dens spids) oscilleres 'dynamisk' op og ned ved sin naturlige resonansfrekvens - lidt væk fra overfladen. Den faktiske kraft, som spidsen oplever, genvindes fra denne målte frekvens.

Forskerne kan nu vise, at denne dynamiske måling slører kraften i atomskalaen, fjernelse af information, der kan gøre genvinding af den faktiske kraft problematisk - at skabe en effektiv 'blind plet'.

"Den genvundne kraft ligner måske ikke den sande kraft, " sagde professor Sader. "Det er bemærkelsesværdigt, at dette spørgsmål er fuldstændig fraværende for nogle atomkraftlove, mens det for andre skaber et reelt problem.

"Dynamiske kraftmålinger ser effektivt på atomkraften gennem en sløret linse. En matematisk algoritme er så nødvendig for at konvertere dette til en faktisk kraft."

I 2003, Professor Sader og en kollega fra Trinity College Dublin udviklede en af ​​disse algoritmer - kaldet Sader-Jarvis-metoden - som bruges i vid udstrækning til at genvinde den atomare skalakraft fra denne slørede frekvensmåling.

"Der havde ikke været nogen antydning af, at denne sløring kunne være et problem, siden den dynamiske AFM-teknik blev opfundet i 1992. Mange uafhængige forskere har udforsket det og vist, at alle standardkraftlove giver meget robuste resultater, " sagde professor Sader.

"Derefter, sidste år, samarbejdspartnere og medforfattere til denne undersøgelse fra University of Regensburg så en anomali for første gang i deres målinger og formidlet det til mig. Jeg var overrasket over at se denne anomali og ivrig efter at identificere årsagen."

Forskerne fandt ud af, at matematiske træk ved frekvensmålingerne effektivt havde skjult dette problem i almindeligt syn.

"Problemet er matematisk subtilt, " sagde Professor Sader. "Tvangslove, der hører til noget, der hedder Laplace-rummet - som alle har testet - er fine. Det er dem, der ikke er en del af dette rum, der forårsager problemet - og der er mange af dem i naturen."

Ved at se på detaljerne i denne subtilitet, Professor Sader var i stand til at formulere en ny matematisk teori og metode, der identificerer, hvornår sløringsproblemet opstår i en reel måling, lader AFM-praktiserende læge undgå det.

"Jeg kan godt lide at tænke på vores opdagelse som at give udøvere muligheden for at se et 'grydehul' i vejen forude, og dermed undgå det uden skader. Tidligere, dette grydehul var gået ubemærket hen, og chaufførerne styrede nogle gange direkte ind i det, " sagde professor Sader.

"Det næste trin er at prøve at forstå, hvordan man fjerner denne 'blinde plet' og 'grydehul' helt.

"Vores arbejde fremhæver også vigtigheden af, at matematikere og eksperimentalister arbejder sammen om at løse et vigtigt teknologisk problem. Uden begge færdighedssæt, dette problem ville ikke være blevet identificeret og løst. Det var gået ubemærket hen i mere end 25 år."

Professor Sader sagde, at denne nye forståelse kan give indsigt i driften af ​​andre dynamiske AFM-kraftmålinger ved at identificere en tidligere uudforsket funktion.