De ontwikkeling van scanning-probemicroscopen in het begin van de jaren tachtig bracht een doorbraak in beeldvorming, een venster op de wereld openen op nanoschaal. Het kernidee is om een ​​extreem scherpe tip over een substraat te scannen en op elke locatie de sterkte van de interactie tussen tip en oppervlak vast te leggen. Bij scanningkrachtmicroscopie, deze interactie is - zoals de naam al aangeeft - de kracht tussen punt en structuren op het oppervlak. Deze kracht wordt meestal bepaald door te meten hoe de dynamiek van een trillende punt verandert wanneer deze over objecten scant die op een substraat zijn afgezet. Een veel voorkomende analogie is het tikken met een vinger over een tafel en het waarnemen van objecten die op het oppervlak zijn geplaatst.

Een team onder leiding van Alexander Eichler, senior wetenschapper in de groep van Prof. Christian Degen aan het Departement Natuurkunde van ETH Zürich, heeft dit paradigma op zijn kop gezet. Inschrijven Fysieke beoordeling toegepast , ze rapporteren de eerste scanning force-microscoop waarbij de punt in rust is terwijl het substraat met de monsters erop trilt.

Staart kwispelen met de hond

Krachtmicroscopie uitvoeren door "de tafel onder de vinger te trillen" lijkt de procedure misschien ingewikkelder te maken. In zekere zin, het doet. Maar het beheersen van de complexiteit van deze omgekeerde aanpak levert veel op. De nieuwe methode belooft de gevoeligheid van krachtmicroscopie tot zijn fundamentele limiet te duwen, verder gaan dan wat kan worden verwacht van verdere verbeteringen van de conventionele "vingertikken"-benadering.

De sleutel tot de gevoeligheidsverhoging is de keuze van het substraat. De 'tafel' in de experimenten van Eichler, Degen en hun medewerkers is een geperforeerd membraan gemaakt van siliciumnitride, slechts 41 nm dik. Medewerkers van de ETH-fysici, de groep van Albert Schliesser aan de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken, vestigden deze membranen met een lage massa als uitstekende nanomechanische resonatoren met extreme kwaliteitsfactoren. Zodra het membraan is aangetikt, het trilt miljoenen keren, of meer, alvorens tot rust te komen. Gezien deze voortreffelijke mechanische eigenschappen, het wordt voordeliger om de tafel te trillen in plaats van de vinger, althans in principe.

Nieuw concept in de praktijk gebracht

Het vertalen van deze theoretische belofte in experimenteel vermogen is het doel van een lopend project tussen de groepen Degen en Schliesser, met theoretische ondersteuning van Dr. Ramasubramanian Chitra en Prof. Oded Zilberberg van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de ETH Zürich. Als een mijlpaal op die reis, de experimentele teams hebben nu aangetoond dat het concept van membraangebaseerde scanningkrachtmicroscopie werkt in een echt apparaat.

Vooral, ze toonden aan dat noch het laden van het membraan met monsters, noch het brengen van de punt binnen een afstand van enkele nanometers de uitzonderlijke mechanische eigenschappen van het membraan in gevaar brengt. Echter, zodra de punt het monster nog dichter nadert, de frequentie of amplitude van het membraan verandert. Om deze veranderingen te kunnen meten, het membraan heeft een eiland waar tip en monster op elkaar inwerken, evenals een tweede mechanisch gekoppeld aan de eerste, waaruit een laserstraal gedeeltelijk kan worden gereflecteerd, om een ​​gevoelige optische interferometer te verschaffen.

Kwantum is de limiet

Door deze opstelling aan het werk te zetten, het team heeft met succes gouden nanodeeltjes en tabaksmozaïekvirussen opgelost. Deze afbeeldingen dienen als een proof of principle voor het nieuwe microscopieconcept, hoewel ze de capaciteiten nog niet naar nieuw terrein duwen. Maar het doel is binnen bereik. De onderzoekers zijn van plan hun nieuwe aanpak te combineren met een techniek die bekend staat als magnetische resonantiekrachtmicroscopie (MRFM) om magnetische resonantiebeeldvorming mogelijk te maken met een resolutie van enkele atomen, waardoor een uniek inzicht wordt verkregen, bijvoorbeeld, in virussen.

MRI op atomaire schaal zou een nieuwe doorbraak zijn in beeldvorming, het combineren van ultieme ruimtelijke resolutie met zeer specifieke fysische en chemische informatie over de afgebeelde atomen. Voor de realisatie van die visie, een gevoeligheid dichtbij de fundamentele limiet die door de kwantummechanica wordt gegeven, is nodig. Het team is ervan overtuigd dat ze zo'n kwantumbeperkte krachtsensor kunnen realiseren door verdere vooruitgang in membraantechnologie en meetmethodologie. Met de demonstratie dat membraangebaseerde scanningkrachtmicroscopie mogelijk is, het ambitieuze doel is nu een grote stap dichterbij gekomen.