میکروسکوپِ نیروی اتمی (میکروسکوپی که با اندازه‌گیریِ نیروی‌های بینِ اتمی و بینِ مولکولی، تصویربرداری می‌کند) که برای نخستین‌بار در سالِ 1986 معرفی شد، در مقیاسِ اتمی تصاویری از سطوح به‌دست داده و محدودیتِ چندانی نسبت به نوعِ سطحِ موردِ نظر ندارد.

لغزاندنِ انگشت بر روی یک جسمِ نامنظم راهِ خوبی‌ست تا شکلِ آن جسم را دریابیم. در سالِ 1986 سه دانش‌مند ابزاری ساختند که اساساً همین کار را در مقیاسِ اتمی انجام می‌داد. آن‌ها نتیجه‌ی کارِ خود را در Physical Review Letters به چاپ رساندند. میکروسکوپِ نیروی اتمی ساختِ دستِ این سه تن با به‌کارگیریِ سوزنی بسیار کوچک از جنسِ الماس می‌توانست سطح را با قدرتِ تفکیکِ نانومتری ویا بهتر پیمایش کند. این ابزار به سرعت رایج شد و به کمکِ پیش‌رفت‌هایی که می‌کرد، در آزمایش‌گاه به وسیله‌ای بسیار کاربردی برای نگاشتِ سطوح با دقتی مولکولی تبدیل شد که حتی می‌توانست نمونه‌های زیستی را نیز روبش کند.

A. McPherson/Univ. of California, Irvine

ارتشِ ویروس. تصویرِ میکروسکوپِ نیروی اتمی از ذراتِ ویروس satellite tobacco mosaic در یک بلور. قطرِ هر ویروس نزدیک به 16 نانومتر است.

در سالِ 1981، Gerd Binnig و Heinrich Rohrer از آزمایش‌گاهِ پژوهشی IBM در زوریخ میکروسکوپِ تونل‌زنیِ روبشی (Scanning Tunneling Microscope یا به اختصار STM) را اختراع کردند. در این دست‌گاه یک نوکِ فلزیِ تیز یا «سَر» درست بالای سطحِ یک جسم نگه‌داشته می‌شود. این سر به اندازه‌ی کافی به سطح نزدیک می‌شود تا ولتاژِ (اعمال‌شده به سرِ میکروسکوپ) جریانِ کمی برقرار کند. این جریان به کمک پدیده‌ی تونل‌زنی در مکانیکِ کوانتومی، در گافِ میانِ سرِ میکروسکوپ و سطحِ مورد بررسی شارش پیدا می‌کند. اگر سرِ میکروسکوپ به هنگامِ بررسیِ یک جسم، چنان به سمتِ بالا و پایین حرکت کند که جریانِ تونل‌زنی ثابت بماند، آن‌گاه حرکت‌های سرِ میکروسکوپ، نقشه‌برداریِ سطحِ جسم را به‌دست می‌دهند. قدرتِ تفکیک در نخستین تصاویرِ به‌دست‌آمده از این میکروسکوپ‌ها زیرنانومتری بود یعنی به اندازه‌ای که ویژگی‌های سطح را با دقتی در حدِ ابعادِ یک تک‌اتم به‌دست می‌داد [‎1]، میکروسکوپ‌های STM نوین حتی از قدرتِ تفکیکِ بهتری نیز برخوردارند. البته این دسته از میکروسکوپ‌ها تنها موادی را می‌توانند روبش کنند که رسانندگیِ الکتریکی داشته باشند.

چند سال بعد، Binnig و Christof Gerber که یکی دیگر از پژوهش‌گرانِ IBM در زوریخ است، مدتی را در IBM’s Almaden research lab در سنت‌جوزِ کالیفرنیا گذراندند. این دو در آن‌جا با Calvin Quate از دانش‌گاهِ استنفورد که در همان نزدیکی قرار دارد، در یک کارِ پژوهشی هم‌گروه شدند. این سه تن با هم میکروسکوپِ STM دیگری ساختند که شیوه‌ی کار آن بر این اساس استوار بود که نیروی ثابتی میانِ سرِ میکروسکوپ و جسمِ موردِ بررسی برقرار می‌کرد، نه این‌که جریانِ میانِ این دو را ثابت نگاه دارد. از آن‌جا که دیگر جریانِ الکتریکی در کار نبود، این دستگاه می‌توانست هر سطحی را بروبد، چه رسانا باشد و چه نباشد.

در این میکروسکوپ که در واقع نخستین میکروسکوپِ نیروی اتمی (Atomic Force Microscope یا به اختصار AFM) بود، سرِ میکروسکوپیکی از جنسِ الماس نقشِ حس‌گر را بازی می‌کرد. این سر بر انتهای فویلی از جنسِ نقره یا طلا، به کلفتیِ 25 میکرون و طولِ 0.8 میلی‌متر سوار شده بود. این فویل که انتهای دیگرش ثابت شده بوده نقشِ یک ستونِ سرآزاد را بازی می‌کرد و به سرِ الماسیِ (میکروسکوپ) این اجازه را می‌داد که به هنگامِ بررسیِ سطحی از جنسِ سرامیک (که این گروه به عنوانِ نمونه‌ی آزمایشی آن را به‌کار برده بود) به سمتِ بالا و پایین حرکت کند. ترفندِ به‌کار رفته در ساختِ این حس‌گر آن بود که این پژوهش‌گران باید فویل (نگه‌دارنده‌ی سرِ الماسی) را چنان نازک می‌ساختند که در پاسخ به نیروهای بسیار ناچیز مولکولی (که میانِ سرامیک و سرِ الماسی برقرار می‌شد)، خم شود. هم‌چنین فویلِ ساخته‌شده باید چنان سبک می‌بود که بسامدِ نوسانِ طبیعیِ آن در حدِ چندکیلوهرتز باشد چراکه اگر بسامدِ زنش (تشدیدِ) فویل کم‌تر از این مقدار باشد، به دلیلِ ارتعاشاتِ پیرامون شروع به «جهش به سمتِ بالا و پایین» می‌کند.

پژوهش‌گران سرِ مخصوصِ میکروسکوپِ STM را پیش از سرِ مخصوصِ میکروسکوپِ AFM ، یعنی در انتهای دیگرِ فویلِ طلا قرار دادند. به این ترتیب می‌توان به کمکِ جریانِ الکتریکیِ STM، خم‌شدگی‌های ستونِ سرآزاد (فویلِ طلا) را اندازه‌گیری کرد. ماده‌ی نمونه که در زیرِ سرِ میکروسکوپِ AFM قرار می‌گیرد بر روی پایه‌ای از پیزوالکتریک سوار شده بود که مکانِ نمونه را در سه‌بعد کنترل می‌کرد. هم‌چنان که سرِ AFM بر روی سطحِ نمونه حرکت می‌کرد، سیگنالِ STM -و بنابراین خم‌شدگی‌های ستونِ سرآزاد- توسطِ سامانه ثابت نگه‌‌داشته می‌شد. سیگنال‌های به‌دست‌آمده از پیزوالکتریک تعیین می‌کرد که نمونه چه اندازه باید در زیرِ سرِ AFM جابه‌جا شود تا میزانِ خم‌شدگیِ ستونِ سرآزاد، ثابت باقی مانده و فرآیندِ نگاشتنِ شکلِ سطح انجام پذیرد.

این گروه، نمونه‌ی نخستین از میکروسکوپِ AFM را در حالت‌های متفاوت به‌کار گرفتند، از جمله دسته‌ای از حالت‌ها که در آن، یا نمونه‌ی موردِ بررسی و یا سرِ AFM با بسامدی نزدیک به بسامدِ زنشِ ستونِ سرآزاد نوسان می‌کرد. ایده‌ی این کار از این مسئله سرچشمه می‌گیرد که تغییراتِ کوچک در نیرویی که موجبِ خم‌شدنِ ستونِ سرآزاد می‌شود، شرطِ زنش را برهم‌ زده و جریانِ الکتریکی STM را تغییر می‌دهد که این تغییرِ جریان را می‌توان با روش‌های ساده‌ی اندازه‌گیری تعیین کرد. اما جالب‌ترین نتیجه هنگامی به‌دست آمد که هیچ نوسانِ واداشته‌ای در کار نبود. اعضای گروه سطحِ نمونه را با قدرتِ تفکیکِ عرضی نزدیک به 3 نانومتر و قدرتِ تفکیکِ عمودی بهتر از 0.1 نانومتر روبش کردند. این قدرتِ تفکیک برای مشاهده‌ی ساختار در مقیاسِ اتمی کافی‌ست.

Arvind Raman از دانش‌گاهِ پوردو در ایالتِ ایندیانا می‌گوید کاربردِ روشِ AFM  جای خود را به سرعت در بخشِ گسترده‌ای باز کرد چون مشخص شد که می‌توان خم‌شدگیِ ستونِ سرآزاد را از روی بازتابِ پرتوی لیزرِ تابیده‌شده به آن، با دقت و سادگی بسیار زیادی دنبال کرد. هم‌چنین با گذرِ چند سال، پژوهش‌گران دریافتند که چگونه می‌توان از حالت‌های نوسانی AFM بهره گرفت. این حالت‌ها برای بررسیِ نمونه‌های زیستی مانند سلول‌ها یا رشته‌ها‌ی DNA بسیار مناسب هستند چون این نمونه‌ها با کشیده‌شدنِ سرِ میکروسکوپِ AFM بر روی آن‌ها، به آسانی از بین می‌روند. برتریِ دیگری که در به‌کارگیریِ AFM برای بررسیِ نمونه‌های زیستی وجود دارد آن است که بر خلافِ میکروسکوپِ الکترونی، به هنگامِ کارکردن با میکروسکوپِ AFM نیازی نیست که نمونه در خلاء نگه‌داری شود. Raman هم‌چنین می‌گوید سامانه‌های AFM امروزه جزیی از وسایلِ استانداردِ موجود در آزمایش‌گاه‌ها بوده و به‌کارگیریِ آن‌ها بسیار ساده است.

نویسنده: David Lindley

مرجع:

1.    G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, and E. Weibel, ”Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy,” Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982).

منبع:

http://physics.aps.org/articles/v5/106

مقاله‌های مهم:

Atomic Force Microscope

G. Binnig, C. F. Quate, and Ch. Gerber

Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986)

Published March 3, 1986