Пионеры AFM отмечены премией Кавли

30 лет спустя и 9000 цитирований спустя изобретатели атомно-силового микроскопа (АСМ) были отмечены сегодня премией Кавли в области нанонауки.

Герд Бинниг и Кристоф Гербер в 1990-х.

Премия разделена между Гердом Биннигом, Кристофом Гербером и Кальвином Куэтом. Бинниг и Гербер ранее работали в IBM Research - Zurich и сотрудничали с Quate из Стэнфордского университета во время творческого отпуска (Бинниг в Стэнфорде, Гербер в IBM Research в Сан-Хосе, теперь Альмаден).

Трое ученых получают приз « за изобретение и реализацию атомно-силовой микроскопии, прорыв в технологии измерения и наноскульптуре, который продолжает оказывать преобразующее влияние на нанонауку и технологии . . »

Впервые AFM был опубликован 3 марта 1986 года в рецензируемом журнале Physical Review Letters под простым названием «Атомно-силовой микроскоп». Изобретение объединило принципы сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и профилометра со стилусом для определения атомного разрешения. Бинниг изобрел СТМ несколькими годами ранее вместе с покойным Генрихом Рорером, и оба они получили Нобелевскую премию по физике в 1986 году.

Бинниг, который указан исключительно в первом патенте, был процитирован в IEEE Spectrum Magazine в 2004 году он сказал, что идея AFM пришла ему в голову подсознательно, когда он лежал на диване. Находясь в Стэнфорде, он привлек Кэлвина Куэта и его коллегу из IBM Кристофа Гербера, с которыми он уже сотрудничал при разработке STM, и вместе они реализовали AFM.

Гербер, который недавно дал интервью журналу Physics World по поводу 30-летия AFM, так прокомментировал эволюцию изобретения:

«Герд предположил, что можно было бы измерять силы взаимодействия, а не ток, между зондом и образцом, и что, возможно, мы могли бы сделать это с помощью кантилевера. Мы сделали грубый расчет и поняли, что для получения атомного разрешения нам необходимо уметь обнаруживать силы на уровне 10 ^–10 N или даже 10 ^–11 Н! ”

Секрет измерения крошечных атомных сил заключался в двух драгоценных элементах:золоте и алмазе. Комментарии Гербера в Physics World:

«Сердцем устройства была очень тонкая золотая фольга толщиной всего несколько микрон, которая использовалась как консоль. Мы взяли фрагмент измельченного алмаза, полученного от иглы проигрывателя, и приклеили его на консоль, чтобы он служил наконечником ».

«Мы не сразу получили атомное разрешение, но были достаточно близки, чтобы подать журнальную статью. В течение года у нас появился более совершенный инструмент на основе кремниевого кантилевера, изготовленного партиями, который впервые показал атомное разрешение на графитовой поверхности ».

После плодотворной работы все трое продвинули технологию АСМ в нескольких новых направлениях, в частности, в конструкции кантилевера и его применениях.

Бинниг адаптировал конструкцию кантилевера для создания массивно-параллельного зонда для наноструктурирования, направленного на развитие энергонезависимой памяти. В этой работе появилось несколько инноваций, в том числе техники создания нанозатраков.

В IBM Гербер разработал «искусственный нос» с использованием массива консолей, который оказался успешным в области химических и биохимических реакций, а также в медицинских приложениях. Сегодня он продолжает это исследование в своей исследовательской группе в Базеле, Швейцария.

Компания Quate сосредоточила внимание на микромеханических кантилеверах для сенсорных приложений для обнаружения лекарств, диагностики пищевых продуктов, определения характеристик материалов и обнаружения взрывчатых веществ.

За последние 30 лет инструменты АСМ претерпели огромные изменения в отношении чувствительности, разрешения и применения, распространившись на самые разные области.

Например, в 2008 году Маркус Тернес и его сотрудники из IBM Research - Almaden использовали эту схему обнаружения для перемещения отдельных атомов по поверхности с помощью АСМ, а также для прямого измерения задействованных сил.

Год спустя группа ученых IBM в Цюрихе во главе с Герхардом Мейером и Лео Гроссом модифицировала наконечник своего АСМ с помощью одной молекулы окиси углерода. Эта двухатомная молекула длиной менее одного нанометра давала изображения с таким высоким разрешением, что можно было определить внутреннюю химическую структуру отдельной молекулы (химические связи).

Гросс комментирует:«Одним из основных отличий нашей методики от других известных методик является то, что мы измеряем отдельные молекулы. Еще одно преимущество состоит в том, что мы можем использовать наконечник для инициирования химических реакций отдельных молекул, и мы можем отслеживать реакции и изучать их продукты в атомарном масштабе ».

Мейер и Гросс со своим коллегой Бруно Шулером недавно опубликовали статью, посвященную 30-летию AFM in Physics World:

«Важно отметить, что АСМ высокого разрешения дает возможность понять и контролировать физические, химические и биологические процессы на уровне отдельных молекул. Постоянные улучшения в чувствительности к силе, а также во временном и пространственном разрешении расширят границы нанонауки. Возможно, еще через 30 лет AFM может быть усовершенствован в сторону атомного ассемблера, о чем говорил Ричард Фейнман в своем знаменитом выступлении 1959 года «Внизу много места»:инструмент, который может создавать произвольные трехмерные устройства атомарной точности, метаматериалы и молекулы. . »

«В любом случае, нет никаких сомнений в том, что AFM продолжит продвигать открытия от фундаментальной физики до химии и наук о жизни, раскрывая самые загадочные механизмы природы в нанометровом масштабе и за его пределами».

Это уже второй раз, когда ученые IBM получают премию Кавли. Дон Эйглер получил премию Кавли в области нанонауки в 2010 году за разработку манипуляций с атомами и за объяснение квантовых явлений с точно контролируемым расположением атомов и молекул на поверхности.

Премии Кавли присуждаются ученым за новаторские достижения в нашем понимании существования в его самых больших, малых и самых сложных масштабах. Каждая из трех международных премий, присуждаемых каждые два года в области астрофизики, нанонауки и нейробиологии, составляет 1 миллион долларов США. Лауреаты выбираются комитетами, члены которых рекомендованы шестью известнейшими научными обществами и академиями мира.