Onderzoekers hebben een 'blinde vlek' ontdekt in atoomkrachtmicroscopie - een krachtig hulpmiddel dat de kracht tussen twee atomen kan meten, beeldvorming van de structuur van individuele cellen en de beweging van biomoleculen.

Atomen zijn ongeveer een tiende nanometer groot, of een miljoen keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.

De nieuwe studie toont aan dat de nauwkeurigheid van atomaire krachtmetingen afhangt van welke krachtwetten van kracht zijn.

Krachtwetten die zich in de nieuw ontdekte 'blinde vlek' bevinden - die van nature veel voorkomen - kunnen tot onjuiste resultaten leiden. De studie beschrijft ook een nieuwe wiskundige methode om deze blinde vlek te zien en te vermijden, atomaire krachtmetingen beschermen tegen onnauwkeurige resultaten.

Professor John Sader, van de School of Mathematics and Statistics van de University of Melbourne en het Australian Research Council Centre of Excellence in Exciton Science, leidde het onderzoek, met de University of Melbourne-onderzoeker Barry Hughes en Ferdinand Huber en Franz Giessibl van de University of Regensburg in Duitsland. Het werk is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"De atomic force microscope (AFM) biedt uitstekende resolutie op atomaire en moleculaire schaal. Het heeft ook het opmerkelijke vermogen om de kracht tussen twee atomen te meten, ' zei professor Sader.

AFM gebruikt een kleine vrijdragende balk (waarvan de lengte de breedte van een mensenhaar is) om de vorm van een oppervlak te voelen en de krachten te voelen die het tegenkomt - op vrijwel dezelfde manier als de stylus of naald van een platenspeler, met een scherpe punt aan het uiteinde van de cantilever die in wisselwerking staat met het oppervlak.

Om nauwkeurige metingen op atomaire schaal mogelijk te maken, de cantilever (en zijn punt) wordt 'dynamisch' op en neer geoscilleerd met zijn natuurlijke resonantiefrequentie - iets weg van het oppervlak. De werkelijke kracht die door de punt wordt ervaren, wordt uit deze gemeten frequentie gehaald.

De onderzoekers kunnen nu aantonen dat deze dynamische meting de kracht op atomaire schaal vervaagt, het verwijderen van informatie die het herstel van de werkelijke kracht problematisch kan maken - het creëren van een effectieve 'blinde vlek'.

"De herstelde kracht lijkt misschien helemaal niet op de echte kracht, " Professor Sader zei. "Het is opmerkelijk dat deze kwestie volledig afwezig is voor sommige atoomkrachtwetten, terwijl het voor anderen een reëel probleem vormt.

"Dynamische krachtmetingen kijken effectief naar de atoomkracht door een wazige lens. Er is dan een wiskundig algoritme nodig om dit om te zetten in een werkelijke kracht."

In 2003, Professor Sader en een collega van Trinity College Dublin ontwikkelden een van deze algoritmen - de Sader-Jarvis-methode genaamd - die op grote schaal wordt gebruikt om de kracht op atomaire schaal te herstellen van deze wazige frequentiemeting.

"Er was geen enkele aanwijzing dat deze vervaging een probleem zou kunnen zijn sinds de dynamische AFM-techniek werd uitgevonden in 1992. Veel onafhankelijke onderzoekers hebben het onderzocht en aangetoond dat alle standaard krachtwetten zeer robuuste resultaten geven, ' zei professor Sader.

"Vervolgens, vorig jaar, medewerkers en co-auteurs van deze studie van de Universiteit van Regensburg zagen voor het eerst een anomalie in hun metingen en gaven die aan mij door. Ik was verrast om deze anomalie te zien en wilde graag de oorzaak achterhalen."

De onderzoekers ontdekten dat wiskundige kenmerken van de frequentiemetingen dit probleem effectief in het zicht hadden verborgen.

"Het probleem is wiskundig subtiel, "Zei professor Sader. "Krachtwetten die behoren tot iets dat Laplace-ruimte wordt genoemd - wat iedereen heeft getest - zijn prima. Het zijn degenen die geen deel uitmaken van deze ruimte die het probleem veroorzaken - en er zijn er veel in de natuur."

Door naar de details van deze subtiliteit te kijken, Professor Sader was in staat om een ​​nieuwe wiskundige theorie en methode te formuleren die identificeert wanneer het vervagingsprobleem zich voordoet in een echte meting, zodat de AFM-beoefenaar dit kan vermijden.

"Ik beschouw onze ontdekking graag als het geven van beoefenaars de mogelijkheid om een ​​'gat' in de weg voor ons te zien, en vermijd het dus zonder schade. Eerder, dit kuiltje was onopgemerkt gebleven en chauffeurs stuurden er soms recht in, ' zei professor Sader.

"De volgende stap is proberen te begrijpen hoe deze 'blinde vlek' en 'potgat' volledig kunnen worden verwijderd.

"Ons werk benadrukt ook het belang van wiskundigen en experimentatoren die samenwerken om een ​​belangrijk technologisch probleem op te lossen. Zonder beide vaardigheden, dit probleem zou niet zijn geïdentificeerd en opgelost. Het was meer dan 25 jaar onopgemerkt gebleven."

Professor Sader zei dat dit nieuwe begrip inzicht kan geven in de werking van andere dynamische AFM-krachtmetingen door een voorheen onontgonnen kenmerk te identificeren.