Mikroskopie atomárních sil

Mikroskopie atomárních sil, z anglického Atomic Force Microscopy, zkr. AFM, je technikou, kterou můžeme dosáhnout trojrozměrného zobrazení povrchu zkoumaných předmětů a látek na atomární úrovni. Historie této techniky sahá až do 80. let minulého století, kdy k ní položil základy tým držitele Nobelovy ceny za fyziku G. K. Binniga. Ten ve Švýcarsku společně s fyzikem Rohrerem v roce 1981 vyvinul STM (Scaning Tunnelling Microscope)- předchůdce AFM. Použití tohoto mikroskopu umožňuje zobrazení povrchu materiálů pomocí sondy s velice ostrým vodivým hrotem mikrometrových rozměrů, jenž klouže těsně nad povrchem zkoumané látky. Daný hrot je zakončen jedním atomem, který mapuje povrch vodivého vzorku pomocí pohybu proudu mezi hrotovým atomem sondy a atomy vzorku. Množství elektronů „tunelovaných“ ze vzorku do sondy exponenciálně závisí na vzdálenosti hrotu od vzorku. Celá tato akce musí probíhat ve vakuu, aby nedocházelo k přenosu elektronů (tedy proudu) z prvků obsažených volně ve vzduchu.

Mechanismus užití AFM je od STM odlišný. Mikroskop atomárních sil nezkoumá proud elektronů mezi hrotem a zkoumaným vzorkem, nýbrž chemickou vazbu a její sílu, která vznikne mezi atomy hrot– vzorek. Tento hrot není jako u STM pevnou součástí sondy, nýbrž je umístěn na ohebném nosníku. Významným pokrokem je jednak možnost prozkoumat i izolanty- nevodivé povrchy, a dále také možnost provádět zkoumání v různých prostředích: vakuem počínaje a kapalinami konče.

Atomární síly můžeme pomocí mikroskopu zjišťovat dvěma základními metodami: kontaktní, tj. hrot se přímo dotýká povrchových struktur vzorku, a bezkontaktní, kdy se používá klouzání hrotu nad povrchem vzorku a využívá se van der Waalsových sil (s velikostí řádově 10^-12 N= pohyb v řádu desítek až stovek nm). Výhodou této metody je měření bez mechanického kontaktu (hrot se neničí). To umožňuje měření také měkkých a elastických vzorků. Vzhledem k tomu, že je v této metodě hrot mikroskopu ke vzorku přitahován, je nutná dostatečná houževnatost vzorku, aby nedošlo k přiskočení hrotu ke vzorku, a tak k jejich možnému poškození. Zároveň však na hrot v této vzdálenosti působí velmi malé síly- ohnutí je tedy malé, tudíž i měřicí signál je sotva znatelný. Celý nosník je rozkmitáván blízko své rezonanční frekvence s rozkmitem jednotek nm. Díky tomu může být měřena změna rezonanční frekvence při přiblížení k povrchu.

Přesné určení atomů povrchu látek, včetně možnosti dotváření struktur, byla snem vědců posledních 25 let. Tým vědců z Osaka University, Universidad Autonóma de Madrid a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR (AV ČR), vyvinul druh atomárního mikroskopu, který dokáže v dynamickém modu (DFM) identifikovat jednotlivé atomy na površích látek, a to tak, že přesně zjistíme, o atom jakého prvku se jedná. Tento tým zjistil, že chemická identifikace povrchu je možná pomocí kombinace experimentálního měření interakčních sil pomocí DFM, kvantově mechanických výpočtů a jednoduchého analytického modelu.

Postup při zkoumání atomů je následující: samotný mikroskop je umístěn na antivibrační podložku. Na ohebném nosníku je nad vzorkem umístěn superostrý hrot mikroskopu. Zde kolektiv vědců při pokusech zaznamenal špičková měření každé chemické vazby a ukázal, že jejich závislost na druhu a tvaru použitého hrotu silového mikroskopu může být překonána normalizační procedurou. To jim umožnilo použít měření síly chemických vazeb jako základ pro rozpoznání atomů dokonce i při pokojové teplotě. Výzkumní pracovníci ilustrují výkon tohoto přiblížení na příkladu povrchu velmi speciální slitiny. Zde úspěšně identifikovali tři základní atomické složky: silikon, cín a olovo. A to i přesto, že vykazují velmi podobné chemické vlastnosti a obdobnou polohu na povrchu, které jakékoli topografické měření nedokáže rozlišit (resp. topograf nám ukáže atomy, ale neukáže, o jaké atomy jde). Tato chemická identifikace samostatných atomů a molekul na povrchu byla sledována právě již od vynalezení STM a AFM, ovšem vědcům  se jako nadějný jevil při analýze povrchů vzorků zejména  průzkum mikroskopie dynamických sil, jež dosahuje věrného zobrazení atomů detekováním sil malého dosahu, které jsou asociovány vznikem chemické vazby mezi nejzazším atomem na samém vrcholku hrotu a povrchem zkoumaného materiálu. Kromě toho, spektroskop zachycující dynamické síly dokáže tyto síly kvantifikovat. Výše zmíněnému týmu se při výzkumu podařilo získat informaci, z níž lze vyčíst 5 sad spektra dynamických sil změřených na samostatné atomické vrstvě cínu potažené na materiálu z křemíku. Tyto polohy byly zjištěny pomocí několikanásobného měření za použití různých druhů zakončení hrotu mikroskopu. Při variantním užití hrotů se lišily i pohyby hrotu, jedno ovšem měly společné- křivky plynoucí z měření sil u atomů křemíku jsou charakteristické silnější přitažlivou silou. Při zajištění maximální stability hrotu tým zjistil, jakým způsobem je přitažlivá síla atomu křemíku závislá na druhu hrotu. Smysluplným srovnáním měření sil hrot-povrch dosáhl tým zpracovatelných dat k redukci kolísavosti způsobené použitím hrotů s různým zakončením. Koeficient relativní interakce křemík- cín se tím ustálil konstantně na hodnotách 0, 7760. Konstantní hodnoty byly zjištěny i pro jiné prvky, jako například olovo a indium.

Závěrem plynoucím z práce vědeckého týmu byl důkaz, že poměr hodnot maximálních atraktivních  sil (síly při vzniku vazby mezi prvky hrot-vzorek) je konstantní a především nezávislý na použitém hrotu. Chemickou analýzu nyní tedy můžeme provádět jednoduše na základě konstantního poměru maxima interakčních sil, který činí např. pro vazby křemík- cín cca 77% a pro vazbu křemík- olovo cca 59%. Hodnoty, které experimentálně naměřil mezinárodní tým vědců působící ve Fyzikálním ústavu AV ČR, se velmi dobře shodovaly s provedenými kvantovými výpočty nastiňujícími reakci mezi hrotem AFM s daným povrchem a vzorkem.

Nová možnost mikroskopu atomárních sil, kterou vědečtí pracovníci odhalili, znásobí už tak velké možnosti uplatnění využití atomární mikroskopie v oblasti studia katalytických procesů, povrchů pevných látek, v oblasti nanotechnologií či biologických systémů. Jedním z příkladů může být možnost kombinace chemické identifikace atomů a schopnosti jimi na površích jednotlivě manipulovat, což umožní konstrukci nanostruktur požadovaných vlastností a funkčnosti. Přesným umístěním dopantů specifických vlastností na polovodičovém povrchu je možno výrazně zvýšit výkonnost nanometrických tranzistorů. V kontaktním režimu též můžeme na povrchu vzorku vytvářet rýhy a požadované obrazce, které mohou posléze sloužit k identifikaci daného povrchu.

Metoda AFM má výborné uplatnění v biologii právě díky možnosti využití i ve vlhkém prostředí, které zabraňuje vysychání struktur a umožňuje zobrazit i živé organismy, na kterých můžeme zkoumat například DNA. Další možností využití je detekce toxinů, při níž se na hrot mikroskopu naváže tzv. protikus, což je molekula, která na toxin reaguje a váže ho na sebe. Tento hrot je poté obtékán roztokem, ve kterém chceme přítomnost toxinu zjistit. Problémem biologických aplikací metody atomárních sil však zůstává nesnadná interpretace zjištěných výsledků.

Literatura:

Král, J.; Frank, L.: Metody analýzy povrchů, iontové, sondové a speciální metody, Academia, Praha, 2002, 489 stran, ISBN 80-200-0594-3

Nature, vol 446, 1 March 2007, „Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy“

http://press.avcr.cz/ostat_show.php?ID=20070228155648 (přístup 17.3.2007 v 18:49 SEČ)

http://www.veda.cz/article.do;jsessionid=D9545B71142502C1DC394959E93ED11E?articleId=14173

(přístup 17.3.2007 v 18:49 SEČ)

http://cs.wikipedia.org/wiki/Mikroskopie_atom%C3%A1rn%C3%ADch_sil#V.C3.BDrobci (přístup 17.3.2007 v 16:54 SEČ)