Mikroskopet som lager kart over atomene

        
9
  9. september, 2016
        


Årets Kavli-pris innen nanovitenskap gikk til oppfinnerne av Atomic Force Microscopy (AFM)-teknologien. Men hva er egentlig det?

Da Kavliprisene ble delt ut for 5. gang tidligere denne uken, ble prisen innen nanovitenskap gitt til professorene Gerd Binnig, Christoph Gerber og Calvin Quate. De får prisen for sin utvikling av en banebrytende ny måte å avbilde prøver på, nemlig atomærkraftmikroskopi, eller Atomic Force Microscopy (AFM).

30 år etter at teknikken ble oppfunnet, bidrar teknologien til banebrytende forskning innen alt fra medisinsk teknologi til elektronikk. Men hva er egentlig en AFM og hvordan brukes den?

Dette er en av AFM-ene som er i bruk ved Institutt for fysikk. Den brukes i hovedsak til å undersøke biologiske prøver, som for eksempel celler, hydrogeler og ulike typer makromolekyler. Foto: Per Henning / NTNU.

Dette er en av AFM-ene som er i bruk ved Institutt for fysikk. Den brukes i hovedsak til å undersøke biologiske prøver, som for eksempel celler, hydrogeler og ulike typer makromolekyler. Foto: Per Henning / NTNU.

 

Tre i én

Teknikken bak AFM gjør det i hovedsak mulig å tre ulike operasjoner med en materialprøve: Man kan avbilde materiales overflate med nanometerpresisjon, man kan undersøke materialets mekaniske og kjemiske egenskaper på atomnivå og man kan forme materialet ved å tilføre eller fjerne atomer.

Bilde av prøvens overflate

I motsetning til et vanlig mikroskop, som bruker lys til å avbilde, lager en AFM et overflatekart over prøven.

photos-combined

Bildet til høyre viser et hårstrå (eller, topologien til et hårstrå) avbildet i en AFM.


 

I AFM-en føres en liten nål over en liten del av prøven som skal undersøkes. Den beveger seg nærmest som en stift over en grammofonplate, enten ved direkte kontakt med overflata -kontakt mode- eller mens den oscillerer -tapping mode. Radiusen på nåla kan være ekstremt liten (nanometer) og systemet så følsomt at enkeltatomer kan avbildes. Piezoelektriske materialer brukes for å oppnå stor presisjon både lateralt (x-y) og i høyde (z).

AFM-ens deteksjonssystemet består vanligvis av en infrarød laserstråle som sendes ned på nålens bakside og reflekteres til en detektor som er følsom for hvor strålen treffer. Når nålen beveger seg bortover materialet vil krefter mellom prøven og nåla føre til avbøyning av nåla. Den reflekterte strålen endrer dermed retning.

Oppgaven til AFM-ens reguleringssystem er imidlertid å sørge for at kraften mellom prøve og nål er konstant, og dette foregår ved at høyden til prøven eller spissen endres meget raskt, slik at den reflekterte strålen igjen treffer samme punkt på detektoren. Slik avbildes prøvens topografi.

Materialers egenskaper

Den andre muligheten en AFM gir, er å undersøke egenskapene til et materiale. Når nåla føres ned, og presses inn i prøven, for deretter å løftes opp igjen, kan man få informasjon om egenskaper som elastisitet eller magnetisme. Man kan også feste molekyler på spissen av nålen og måle hva som skjer i møtet mellom nålen og molekylene i prøven. Med denne metoden kan man også undersøke molekylers struktur og biologiske funksjon.

Å skape nye materialer

Det tredje man kan gjøre med en AFM er å påvirke egenskapene til et materiale, eller skape et nytt materiale ved å endre det på atomnivå. Dette gjøres ved å sette molekyler på AFM-spissen, for så å feste dem på prøven.

Å håndtere AFM-en krever kunnskap

Det krever dyktighet og nøyaktighet for å operere en AFM. Det finnes blant annet ulike typer AFM-spisser. Skal man studere et hardt materiale velger man en stiv spiss eller fjær. Er materialet mykt – som for eksempel en celle – må man velge en myk spiss. Radiusen på nåla er også viktig. Er spissen av feil type, eller maskinen opereres feil, kan man risikere at resultatene ikke er til å stole på, at bildet ikke viser faktisk topografi eller at man i verste fall ødelegger både spissen og prøven.
Utvikling av AFM-teknologien.

Stadig utvikling

AFM-teknologien ble oppfunnet av Binnig, Gerber og Quate i 1982. Siden den tid har mye skjedd med utviklingen av teknologien. Tradisjonelt var AFM en treg teknikk, hvor det tok flere minutter å få et bilde av en prøve. Med ny, høyhastighets-AFM kan det tas flere bilder per sekund. Moderne AFM-er er vanligvis også kombinert med et optisk mikroskop, slik at man kan se samme prøve på ulike måter.

Ved NTNU har AFM-teknologi vært brukt i mange år. Denne AFM-en ved Institutt for fysikk er snart 20 år gammel. Men kan - takket være oppgraderinger underveis - fremdeles gi verdifull informasjon. Foto: Per Henning / NTNU

Ved NTNU har AFM-teknologi vært brukt i mange år. Denne AFM-en ved Institutt for fysikk er snart 20 år gammel. Men kan – takket være oppgraderinger underveis – fremdeles gi verdifull informasjon. Foto: Per Henning / NTNU

 

Dette blogginnlegget er også publisert på bloggen NTNU TechZone

Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+Share on LinkedInEmail this to someone