Пионеры AFM удостоены Кавлиовской премии по нанонауке

Через 30 лет и более 9000 цитирований изобретатели Атомно-Силового Микроскопа (AFM) награждены Кавлиовской премией по нанонауке.

Герд Бинниг и Кристоф Гербер в 1990-х.

Кавлиовская премия делится между Гердом Биннигом, Кристофом Гербером и Кальвином Куэйтом. Бинниг и Гербер ранее базировались в IBM Research – Zurich, в то время как Куэйт был в Стэнфордском университете. Во время саббатикала Бинниг был в Стэнфорде, а Гербер в IBM Research в Сан-Хосе (ныне Алмаден), способствуя тесному сотрудничеству.

Три ученых были удостоены «за изобретение и реализацию атомно-силовой микроскопии, прорыв в технологии измерений и наноскульптировании, продолжающий иметь трансформационное влияние на нанонауку и технологии».

AFM был впервые описан в выпуске Physical Review Letters от 3 марта 1986 года под лаконичным названием «Atomic Force Microscope». Устройство комбинировало принципы сканирующей туннельной микроскопии (STM) со стилусным профилометром, обеспечивая атомное разрешение визуализации.

Бинниг, также соизобретавший STM с поздним Хайнрихом Роррером, получил Нобелевскую премию по физике в 1986 за ту работу. Позже он приписал идею AFM подсознательному инсайту, который у него был, лежа на диване, как отмечено в интервью 2004 года в IEEE Spectrum Magazine.

Во время пребывания в Стэнфорде Бинниг заручился экспертизой Кальвина Куэйта и своего IBM-коллеги Кристофа Гербера — который ранее сотрудничал над STM — чтобы довести AFM от концепции к реальности.

В недавнем интервью с Physics World к 30-летию, Гербер рефлектировал над эволюцией изобретения:

«Герд предложил, что мы можем измерять интерактивные силы между кончиком и образцом, а не туннельный ток, и что консоль может сделать это. Мы сделали грубый расчет и поняли, что достижение атомного разрешения требует детектирования сил на уровне 10^–10 Н или даже 10^–11 Н!»

Способность чувствовать такие ничтожные силы опиралась на два ключевых материала: золото и алмаз. Гербер объяснил:

«Сердце устройства было очень тонкой золотой фольгой, всего несколько микрон толщиной, использованной как консоль. Мы прикрепили фрагмент отдробленного алмаза — оригинально от иглы проигрывателя — к консоли, чтобы служить кончиком».

Пока атомное разрешение не было достигнуто немедленно, команда была достаточно близка, чтобы подать статью. Внутри года они разработали пакетно-фabрикованный кремниевый консоль, давший первые атомно-разрешающие изображения на графитовой поверхности.

После этого вехи трио толкало AFM технологию в новые направления, особенно в дизайне консолей и приложениях.

Бинниг пионерил массово-параллельную зонду для наноструктурирования, нацеленное на разработку невиолатильной памяти. Его работа спровоцировала волну инноваций в нанопаттернинге.

Гербер продвинул «искусственный нос» используя массив консолей, достигнув прорывов в химической, биохимической и медицинской диагностике. Он продолжает это исследование со своей группой в Университете Базеля, Швейцария.

Куэйт фокусировался на микромеханических консолях для сенсорных приложений в открытии лекарств, пищевой диагностике, характеристике материалов и детектировании взрывчатки.

За прошедшие три десятилетия AFM инструменты драматически эволюционировали, улучшая чувствительность и разрешение в то время как расширяясь в разнообразные области.

В 2008 Марк Тернес и коллеги в IBM Research – Almaden использовали AFM для скольжения единичных атомов по поверхности и прямого измерения вовлеченных сил.

В следующем году команда из IBM Research – Zurich, возглавляемая Герхардом Мейером и Лео Гроссом, модифицировала AFM кончик единичной молекулой оксида углерода. Этот диатомный кончик, менее одного нанометра длиной, дал изображения, разрешавшие внутреннюю химическую структуру отдельных молекул — химические связи в реальном времени.

Гросс отметил: «Одно главное различие нашей техники — мы измеряем единичные молекулы. Другое преимущество — мы можем использовать кончик для инициации химических реакций отдельных молекул и отслеживать продукты на атомном масштабе».

Мейер, Гросс и Бруно Шулер недавне опубликовали статью к 30-летию AFM в Physics World, заявляя:

«Высокое разрешение AFM предлагает возможности понять и контролировать физические, химические и биологические процессы на уровне отдельных молекул. Постоянные улучшения в силовой чувствительности, временном и пространственном разрешении будут толкать границы нанонауки еще дальше. Возможно, через еще 30 лет AFM может эволюционировать к атомному ассемблеру, как предвидел Ричард Фейнман в своем 1959 году токе «There's Plenty of Room at the Bottom» — инструмент, который мог бы строить произвольные, 3D атомно-точные устройства, метаматериалы и молекулы».

«Независимо, нет сомнений, что AFM продолжит драйвить открытия от фундаментальной физики к химии и наукам о жизни, разматывая природы самые загадочные механизмы на нанометровом масштабе и далее».

Это вторая Кавлиовская премия, присужденная ученому IBM. Дон Эйглер получил 2010 Кавлиовскую премию по нанонауке за разработку манипуляции атомами и эллюцидацию квантовых феноменов с точно контролируемыми атомными и молекулярными расстановками на поверхностях.

Кавлиовские призы чтят ученых, пионерствующих в нашем понимании существования на его крупнейших, малейших и самых сложных масштабах. Вручаемые биеннально в астрофизике, нанонауке и нейронауке, каждая премия несет $1 млн (США). Лауреаты выбираются комитетами, чьи члены рекомендованы шестью из мира самых престижных научных обществ и академий.