Nyt mikroskopikoncept træder i kraft

Udviklingen af ​​scanning probe mikroskoper i begyndelsen af ​​1980'erne bragte et gennembrud inden for billeddannelse, at åbne et vindue ud i verden på nanoskala. Nøgleideen er at scanne en ekstremt skarp spids over et substrat og at registrere styrken af ​​samspillet mellem spids og overflade på hvert sted. Ved scanningskraftmikroskopi, denne interaktion er – som navnet antyder – kraften mellem spids og strukturer på overfladen. Denne kraft bestemmes typisk ved at måle, hvordan dynamikken af ​​en vibrerende spids ændres, når den scanner over genstande, der er aflejret på et underlag. En almindelig analogi er at banke en finger hen over et bord og mærke genstande placeret på overfladen.

Et hold ledet af Alexander Eichler, seniorforsker i gruppen af ​​prof. Christian Degen ved Institut for Fysik ved ETH Zürich, har vendt op og ned på dette paradigme. Skriver ind Fysisk gennemgang anvendt , de rapporterer det første scanningskraftmikroskop, hvor spidsen er i hvile, mens substratet med prøverne på det vibrerer.

Halen logrer med hunden

At lave kraftmikroskopi ved at "vibrere bordet under fingeren" kan synes at gøre proceduren mere kompliceret. I en vis forstand, det gør det. Men at mestre kompleksiteten af ​​denne omvendte tilgang kommer med stor gevinst. Den nye metode lover at presse følsomheden af ​​kraftmikroskopi til dens fundamentale grænse, ud over, hvad der kan forventes af yderligere forbedringer af den konventionelle "fingertapping"-tilgang.

Nøglen til følsomhedsforøgelsen er valget af underlag. 'Bordet' i Eichlers eksperimenter, Degen og deres medarbejdere er en perforeret membran lavet af siliciumnitrid, kun 41 nm i tykkelse. Samarbejdspartnere fra ETH fysikerne, gruppen af ​​Albert Schliesser på Københavns Universitet i Danmark, etableret disse lavmassemembraner som fremragende nanomekaniske resonatorer med ekstreme kvalitetsfaktorer. Når membranen er banket på, den vibrerer millioner af gange, eller mere, inden man hviler sig. I betragtning af disse udsøgte mekaniske egenskaber, det bliver en fordel at vibrere bordet frem for fingeren, i hvert fald i princippet.

Nyt koncept sat i værk

At omsætte dette teoretiske løfte til eksperimentel kapacitet er målet for et igangværende projekt mellem grupperne Degen og Schliesser, med teoristøtte fra Dr. Ramasubramanian Chitra og prof. Oded Zilberberg fra Instituttet for Teoretisk Fysik ved ETH Zürich. Som en milepæl på den rejse, forsøgsholdene har nu vist, at konceptet med membranbaseret scanningskraftmikroskopi fungerer i en rigtig enhed.

I særdeleshed, de viste, at hverken belastning af membranen med prøver eller at bringe spidsen inden for en afstand af nogle få nanometer kompromitterer membranens exceptionelle mekaniske egenskaber. Imidlertid, når spidsen nærmer sig prøven endnu tættere, frekvensen eller amplituden af ​​membranen ændres. For at kunne måle disse ændringer, membranen har en ø, hvor spids og prøve interagerer, samt en anden mekanisk koblet til den første, hvorfra en laserstråle delvist kan reflekteres, at tilvejebringe et følsomt optisk interferometer.

Kvante er grænsen

Sætter denne opsætning til at fungere, holdet har med succes løst guld nanopartikler og tobaksmosaikvirus. Disse billeder tjener som et principbevis for det nye mikroskopikoncept, selvom de endnu ikke skubber kapaciteterne ind på nyt territorium. Men målet er inden for rækkevidde. Forskerne planlægger at kombinere deres nye tilgang med en teknik kendt som magnetisk resonanskraftmikroskopi (MRFM) for at muliggøre magnetisk resonansbilleddannelse med en opløsning af enkelte atomer, giver således unik indsigt, for eksempel, ind i vira.

MRI på atomare skala ville være endnu et gennembrud inden for billeddannelse, kombinerer ultimativ rumlig opløsning med meget specifik fysisk og kemisk information om de afbildede atomer. For at realisere denne vision, en følsomhed tæt på den fundamentale grænse givet af kvantemekanikken er nødvendig. Holdet er overbevist om, at de kan realisere en sådan kvantebegrænset kraftsensor gennem yderligere fremskridt inden for membranteknik og målemetoder. Med demonstrationen af, at membranbaseret scanningskraftmikroskopi er mulig, det ambitiøse mål er nu kommet et stort skridt nærmere.