science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Nanodraden als sensoren in nieuw type atoomkrachtmicroscoop

Een nanodraadsensor meet grootte en richting van krachten. Krediet:Universiteit van Bazel, Afdeling Natuurkunde

Een nieuw type atomic force microscope (AFM) gebruikt nanodraden als kleine sensoren. In tegenstelling tot de standaard AFM, het apparaat met een nanodraadsensor maakt metingen van zowel de grootte als de richting van krachten mogelijk. Natuurkundigen van de Universiteit van Basel en van de EPF Lausanne hebben deze resultaten beschreven in het recente nummer van: Natuur Nanotechnologie .

Nanodraden zijn extreem kleine draadkristallen die molecuul voor molecuul worden opgebouwd uit verschillende materialen en die nu zeer actief worden bestudeerd door wetenschappers over de hele wereld vanwege hun uitzonderlijke eigenschappen.

De draden hebben normaal gesproken een diameter van 100 nanometer en hebben daarom slechts ongeveer een duizendste van een haardikte. Door deze kleine afmeting, ze hebben een zeer groot oppervlak in vergelijking met hun volume. Dit feit, hun kleine massa en onberispelijk kristalrooster maken ze zeer aantrekkelijk in een verscheidenheid aan detectietoepassingen op nanometerschaal, onder meer als sensoren van biologische en chemische monsters, en als druk- of laadsensoren.

Meting van richting en maat

Het team van Argovia-professor Martino Poggio van het Zwitserse Nanoscience Institute (SNI) en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel heeft nu aangetoond dat nanodraden ook kunnen worden gebruikt als krachtsensoren in atoomkrachtmicroscopen. Op basis van hun speciale mechanische eigenschappen, nanodraden trillen langs twee loodrechte assen op bijna dezelfde frequentie. Wanneer ze zijn geïntegreerd in een AFM, de onderzoekers kunnen veranderingen meten in de loodrechte trillingen veroorzaakt door verschillende krachten. Eigenlijk, ze gebruiken de nanodraden als kleine mechanische kompassen die zowel de richting als de grootte van de omringende krachten aangeven.

Afbeelding van het tweedimensionale krachtveld

De wetenschappers uit Bazel beschrijven hoe ze een patroon van een monsteroppervlak in beeld brachten met behulp van een nanodraadsensor. Samen met collega's van de EPF Lausanne, die de nanodraden kweekte, ze brachten het tweedimensionale krachtveld boven het monsteroppervlak in kaart met behulp van hun nanodraad "kompas". Als een proof-of-principle, ze brachten ook testkrachtvelden in kaart die werden geproduceerd door kleine elektroden.

Het meest uitdagende technische aspect van de experimenten was de realisatie van een apparaat dat tegelijkertijd een nanodraad boven een oppervlak kan scannen en de trilling ervan langs twee loodrechte richtingen kan volgen. Met hun studie de wetenschappers hebben een nieuw type AFM gedemonstreerd dat de talrijke toepassingen van de techniek nog verder zou kunnen uitbreiden.

AFM - tegenwoordig veel gebruikt

De ontwikkeling van AFM 30 jaar geleden werd begin september van dit jaar gehuldigd met de uitreiking van de Kavli-Prijs. Professor Christoph Gerber van het SNI en departement Natuurkunde aan de Universiteit van Basel is een van de winnaars, die substantieel heeft bijgedragen aan het brede gebruik van de AFM op verschillende gebieden, inclusief vastestoffysica, materiaal kunde, biologie, en geneeskunde.

De verschillende soorten AFM worden meestal uitgevoerd met behulp van uitkragingen gemaakt van kristallijn Si als mechanische sensor. "De overstap naar veel kleinere nanodraadsensoren kan nu zorgen voor nog verdere verbeteringen van een toch al verbazingwekkend succesvolle techniek", Martino Poggio becommentarieert zijn aanpak.