Månedlig arkiv:   september 2016

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

Kavli Prize events på NTNU
        
8
  8. september, 2016
        


kavli_medalje_180x140Kavliprize_banner

Vinnerne av Kavli-prisen innen nanovitenskap og nevrovitenskap besøker NTNU denne uka.

Kavli-prisene, tre internasjonale forskningspriser, ble delt ut under en høydtidelig seremoni i Oslo tidligere denne uka. I dag er flere av prisvinnerne ved NTNU, hvor de holder foredrag om forskningen de fikk prisen for. Kavli-prisene deles ut hvert annet år, i kategoriene er astrofysikk, nevrovitenskap og nanovitenskap.

Nå er alle prisvinnerne innen nevro- og nanovitenskap, med ett unntak, på besøk ved NTNU.

Det var mange interesserte tilhørere da vinnerne av Kavli-prisen innen nanovitenskap og nevrovitenskap holdt sine prisforedrag ved NTNU i dag. Foto: Per Henning /NTNU

Det var mange interesserte tilhørere da vinnerne av Kavli-prisen innen nanovitenskap og nevrovitenskap holdt sine prisforedrag ved NTNU i dag. Foto: Per Henning /NTNU

Nanovitenskap
Prisen innen nanovitenskap ble tildelt professorene Gerd Binnig, Christoph Gerber og Calvin Quate. De fikk prisen for sin utvikling av en banebrytende ny måte å avbilde prøver på, nemlig et atomærkraftmikroskop, eller Atomic Force Microscopy (AFM).

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

30 år etter at teknikken ble oppfunnet, bidrar den fremdeles til grensesprengende forskning innen alt fra medisinsk teknologi til nanoelektronikk.

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

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

Om Kavli-prisene
Kavli-prisene er opprettet av den norskfødte fysikeren og forretningsmagnaten Fred Kavli, med mål om å fremme langsiktig grunnforskning innen nanovitenskap, nevrovitenskap og astrofysikk. Det er stiftelsen Kavli Foundation som står bak tildelingene, i samarbeid med Det Norske Videnskaps-Akademi og Kunnskapsdepartementet. Utmerkelsene består av et diplom, en medalje og en million dollar.

Prisvinnerne velges av komitéer bestående av medlemmer som er anbefalt av noen av verdens mest anerkjente vitenskapsselskap og –akademier. Lederen for komitéen som velger prisvinnerne innen nanoteknologi er fysikkprofessor Arne Brataas fra NTNU.

I år deles Kavliprisene ut for 5. gang.
Les mer om Kavliprisene og se oversikten over alle årets prisvinnere.