Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (AFM) αποκαλύπτει τη χημική ταυτότητα μεμονωμένων ατόμων

Πηγή: Nanowerk News, 1 Ιουλίου 2007

Μια διεθνής ομάδα φυσικών έδειξε για πρώτη φορά ότι το Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (AFM) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αποκαλύψει τη χημική ταυτότητα μεμονωμένων ατόμων σε μια επιφάνεια σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να προετοιμάσει το έδαφος για το χημικό προσδιορισμό στην ατομική κλίμακα, δεδομένου ότι μπορεί να επιλέξει συγκεκριμένα άτομα από ένα σύνθετο μίγμα στοιχείων.

Δεξιά: Ένα Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης μπορεί να προσδιορίσει την ταυτότητα των ατόμων της επιφάνειας ενός κράματος: άτομα πυριτίου [κόκκινο], κασσιτέρου [μπλε] και μολύβδου [πράσινα)

Το μικροσκοπίου AFM  λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο που μια βελόνα διαβάζει ένα δίσκο μουσικής. Χρησιμοποιεί μια υπέρλεπτη ακίδα που στηρίζεται σε εύκαμπτο προεξέχοντα βραχίονα. Καθώς η ακίδα σαρώνει την υπό εξέταση επιφάνεια, εκτελεί ανοδικές και καθοδικές κινήσεις καθώς συναντά τα άτομα της επιφάνειας.

Η ταλάντωση αυτή οφείλεται στις ελκτικές ή απωστικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των ατόμων του πυριτίου της ακίδας και των ατόμων της επιφάνειας. Μάλιστα, ο ρυθμός ταλάντευσης του βραχίονα εξαρτάται  από την απόσταση μεταξύ του ατόμου και της άκρης. Αυτές οι μεταβολές μπορούν εν συνεχεία να μετατραπούν σε χάρτη της επιφάνειας ατομικής κλίμακας.

"Μέχρι σήμερα δεν υπήρχε καμία τεχνική η οποία να μας επιτρέπει τον προσδιορισμό της ταυτότητας κάθε μεμονωμένου ατόμου και την ταυτόχρονη παρατήρηση τους", δηλώνει ο Ruben Perez, του Αυτόνομου Πανεπιστημίου στη Μαδρίτη. Χρησιμοποιώντας το AFM, ο Oscar Custance και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Οζάκα, μαζί με τον Perez και άλλους συναδέλφους τους, κατάφεραν να διακρίνουν άτομα κασσιτέρου, πυριτίου και μολύβδου, τα οποία μεταξύ τους παρουσιάζουν χημική ομοιότητα. Η εικόνα των ατόμων που προκύπτει μοιάζει με έναν κοκκώδη πίνακα, όπου οι «κόκκοι» — τα μεμονωμένα άτομα — καθίστανται διακριτά όταν ψευδοχρωματίζονται.

Η ικανότητα ταυτοποίησης και χειρισμού των ατόμων ήρθε για πρώτη φορά στο προσκήνιο το 1989, όταν οι επιστήμονες της IBM σχημάτισαν το λογότυπο της εταιρείας τους με άτομα ξένου. Εκείνη την εποχή, οι φυσικοί στηρίχτηκαν στο σαρωτικό μικροσκόπιο σήραγγας (STM), το οποίο ανιχνεύει τα άτομα μέσω μικρής ροής ηλεκτρονίων μεταξύ της αιχμής της ακίδας του μικροσκοπίου και ενός ατόμου. Ωστόσο, το μικροσκόπιο STM μπορεί να ταυτοποιήσει άτομα μόνο ηλεκτρικώς αγώγιμων υλικών σε αντίθεση με την τεχνική αυτή, που χρησιμοποιείται και για αγωγό και για μονωτή.

Οι ερευνητές κάνοντας επαναλαμβανόμενες ιδιαίτερα ακριβείς μετρήσεις έδειξαν ότι οι δυνάμεις μεταξύ της άκρης της ακίδας και του κάθε στοιχείου ήταν ελάχιστα διαφορετικές. Για να γίνουν οι ταυτοποιήσεις ήταν απαραίτητο η ακίδα να επιστρέψει στο ίδιο άτομο πολλές φορές και να εστιάσει το μικροσκόπιο στο ίδιο σημείο με μια ακρίβεια 0,5 Ångstroms. Επίσης, παρατήρησαν ότι το μέγεθος αυτών των δυνάμεων ποίκιλε από πείραμα σε πείραμα, επειδή η ακριβής σύνθεση της άκρης της ακίδας είναι αδύνατον να ελεγχθεί. Εντούτοις, η αναλογία των δυνάμεων της αλληλεπίδρασης μεταξύ του κάθε στοιχείου παρέμεινε σταθερή ανεξάρτητα από τη σύνθεση και τη δομή της άκρης του μικροσκοπίου.

Το επόμενο βήμα, λένε οι επιστήμονες, θα ήταν να ξεχωρίσουν πάνω από τρία στοιχεία, που χρησιμοποιήθηκαν από την ομάδα της Οζάκα. Εάν, επίσης, μπορούσε να εφαρμοστεί σε μονωτικές επιφάνειες, το σύστημα θα μπορούσε τελικά να εξελιχθεί σε ένα αναλυτικό εργαλείο για να προσδιοριστούν με εύκολο τρόπο μεμονωμένα άτομα της επιφάνειας.