EPFL-onderzoekers hebben sensoren op nanometrische schaal geprint die de prestaties van atoomkrachtmicroscopen kunnen verbeteren.

Kleine sensoren gemaakt door 3D-printen op nanoschaal kunnen de basis vormen voor de volgende generatie atoomkrachtmicroscopen. Deze nanosensoren kunnen de gevoeligheid en detectiesnelheid van de microscopen verbeteren door hun detectiecomponent tot 100 keer te miniaturiseren. De sensoren werden voor het eerst gebruikt in een praktijktoepassing bij EPFL, en de resultaten worden gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Een kleine draaitafel die 'luistert' naar atomen

Atoomkrachtmicroscopie is gebaseerd op krachtige technologie die een beetje werkt als een miniatuurdraaitafel. Een kleine cantilever met een nanometrische punt gaat over een monster en traceert het reliëf, atoom voor atoom. De oneindig kleine op-en-neer bewegingen van de tip worden opgepikt door een sensor, zodat de topografie van het monster kan worden bepaald.

Een manier om atoomkrachtmicroscopen te verbeteren, is door de cantilever te miniaturiseren, omdat dit de traagheid zal verminderen, gevoeligheid verhogen, en de detectie versnellen. Onderzoekers van EPFL's Laboratory for Bio- en Nano-Instrumentation bereikten dit door de cantilever uit te rusten met een 5 nanometer dikke sensor gemaakt met een 3D-printtechniek op nanoschaal. "Met onze methode de cantilever kan 100 keer kleiner zijn, " zegt Georg Fantner, de directeur van het laboratorium.

Elektronen die over obstakels springen

De op- en neergaande bewegingen van de nanometrische tip kunnen worden gemeten door de vervorming van de sensor die aan het vaste uiteinde van de cantilever is geplaatst. Maar omdat de onderzoekers te maken hadden met minuscule bewegingen – kleiner dan een atoom – moesten ze een truc uit hun hoed toveren.

Samen met het laboratorium van Michael Huth aan de Goethe Universität in Frankfurt am Main, ze ontwikkelden een sensor die bestaat uit sterk geleidende platina-nanodeeltjes omgeven door een isolerende koolstofmatrix. Onder normale omstandigheden, de koolstof isoleert de elektronen. Maar op nanoschaal er komt een kwantumeffect in het spel:sommige elektronen springen door het isolatiemateriaal en reizen van het ene nanodeeltje naar het andere. "Het is alsof mensen die op een pad lopen tegen een muur aanlopen en alleen de moedige enkelingen erin slagen eroverheen te klimmen, ’ zei Fantner.

Als de vorm van de sensor verandert, de nanodeeltjes bewegen verder van elkaar af en de elektronen springen er minder vaak tussen. Veranderingen in de stroom onthullen dus de vervorming van de sensor en de samenstelling van het monster.

Op maat gemaakte sensoren

De echte prestatie van de onderzoekers was het vinden van een manier om deze sensoren in nanoschaaldimensies te produceren terwijl ze hun structuur zorgvuldig controleren en, door verlenging, hun eigenschappen. "In een vacuüm, we verdelen een precursorgas dat platina- en koolstofatomen bevat over een substraat. Dan passen we een elektronenbundel toe. De platina-atomen verzamelen en vormen nanodeeltjes, en de koolstofatomen vormen van nature een matrix om hen heen, " zei Maja Dukic, hoofdauteur van het artikel. "Door dit proces te herhalen, we kunnen sensoren bouwen met elke dikte en vorm die we willen. We hebben bewezen dat we deze sensoren kunnen bouwen en dat ze werken op bestaande infrastructuren. Onze techniek kan nu worden gebruikt voor bredere toepassingen, variërend van biosensoren, ABS-sensoren voor auto's, om sensoren op flexibele membranen in protheses en kunsthuid aan te raken."