Атомно-силовой микроскоп: сущность, история, особенности

Атомно-силовой микроскоп – применяется для изучения рельефа поверхности. Используемое высокое расширение позволяет проводить исследования от нескольких десятков ангстрем до атомарного. За счет технологии, ученые достигли больших результатов, которые не мог ранее обеспечить сканирующий туннельный аппарат. Сегодня доступно изучение проводящих и непроводящих поверхностей.

 

История

Впервые над созданием АСМ задумался Герд Биннинг. Совместно с другими швейцарскими исследователями Кельвином Кувейтом и Кристофером Гербером был выпущен первый аппарат с высоким расширением в 1982 году. Основой для модификации стал – туннельный вид, область применения которого сильно ограничивалась.

Теперь для определения образца, специалисты могли использовать упругую консоль. Однако и новая модификация имела недостатки. Спустя 2 года, была выпущена доработанная модель, основывающаяся на эксплуатации оптической схемы. Луч лазера проникал на внешнюю часть объекта, после отражения попадал в фоторедактор. Именно этим видом сегодня пользуются современные исследователи.

 

 

Принцип работы

Первый аспект деятельности атомно-силового микроскопа основывается на:

• Регистрации силовой зависимости между зондом и самим объектом (ее образца).
• Игла в данном случае – это нано острие, которое находится на конце консоли (ее также называют кантилевером).
• Сила, действующая изнутри деформирует упругую консоль, когда она меняется, начинается регистрация величины изгиба.

В описании действия АСМ часто можно увидеть применения лишь силы Ван-дер-Ваальса. Углубляясь в значение, можно понять, что сначала регистрируются данные о притяжении, а после о отталкивании. В реальности, дополнительно выделяют применение:

• Упругие силы.
• Адгезии.
• Капиллярных.

Значение использования этих величин можно отследить лишь в полу контактном режиме. Он же возможен только при прилипании, когда на исследуемой поверхности начинают выступать гистерезисы. Их обнаружение зачастую усложняют процесс фиксирования показателей.

Нельзя исключать влияние магнитные и электро статистические силы. Благодаря современным разработкам зондов, стало легче рассчитывать их появление над объектом.

 

 

Как выглядит атомо-силовой микроскоп

Конструкция состоит из нескольких значимых приборов:

• Корпус – удерживает кострукцию, изготавливается из жестких материалов.
• Держатель образца – служит для фиксирования и закрепеление изучаемых проб.
• Устройство манипуляции – так как моделей АСМ достаточно много, можно выделить два основных вида. Первый – грубый, диапазон движения на сантиметры, второй – область движения измеряется в микронах.
• Зонд.
• Система отклонения кантилевера. Сегодня известно 5 основных систем. Самой популярной является – оптическая.
• Система для получения обратной связи.
• Электронный блок.

Говоря о системе отклонения, можно выделить, что первой была – туннельная. Однако она имела ряд минусов, что привело модификации аппаратов.

 

Как работает

Современный оптический микроскоп, который сегодня используют ученые, нельзя сравнивать с человеческим привычным пониманием зрения. Аппарат работает «вслепую», эксплуатируя только высокую чувствительность «пальцев», т.е. зондов.

Сканирующая игла – имеет тонкое строение, которое можно отсчитать несколькими нанометрами. Во время исследования объекта (на примере обычной жировой клетки), она позиционируется над образцом, после чего регистрируется процесс взаимодействия. После этого на экране формируется изображение. Все известные модели достаточно капризны в использование, так как даже небольшая вибрация со стороны внешней среды может исказить полученный результат.

Предшественник АСМ, мог предоставить результат до масштаба атомов. До 1975 года их наличие было предположено только в теории. После внедрения новой модификации, их наличие было подтверждено на официальном уровне. Так как новый зонд и принцип регистрации позволил получить полноценную картинку.

Помимо регистрирования показателей, лазер имеет несколько дополнительных модификаций, которые позволяют изучать методы анодно-окислительной литографии. Теперь прибор может не только измерять форму или размер структуры, но и оказывать влияние на электрохимические свойства изучаемой поверхности.

 

 

В каких целях используется

Если рассматривать в качестве примера развитие электроники, то можно выделить:

• Создание усовершенствованных микросхем. Техника становится меньше, но мощность возрастает в разы.
• Снижение электрозатрат на создание новых приборов.

За счет использования метода «на ощупь» ученые создают более мощную технику, которая может похвастаться маленьким размером. Результат – небольшие телефоны, удобное компьютерное оборудование и многое другое.

Нельзя исключить большие сдвиги в области фундаментальных исследований. Ученые теперь могут без особого труда буквально пощупать поверхность молекул. Изображение экранизируется на мониторе вплоть до атомов.

Биологический прогресс за последние 50 лет также шагнул вперед. Особый интерес вызывает развитие молекулярной биологии. Исследователи занимаются изучением живых организмов, от небольших бактерий до клетки. С использование атомо-силового микроскопа стало доступным изучение их жизнедеятельности. Специалисты могут наблюдать за всем периодом от развития до полного распада.

Область применения касается и современной фармацевтики. Действие различных лекарственных препаратов изучается на применении одной клетки. Теперь для создания нового противоядия не нужно использовать живой человеческий ресурс, так как изучение помогает определить влияние на примере даже 1 нервной клетки человека.