Co to jest mikroskop sił atomowych (AFM)?

Mikroskop sił atomowych (AFM) jest niezwykle precyzyjnym mikroskopem, który obrazuje próbkę, szybko przesuwając sondę z końcówką wielkości nanometra po jej powierzchni. Jest to zupełnie inne niż mikroskop optyczny, który wykorzystuje odbite światło do zobrazowania próbki. Sonda AFM oferuje znacznie wyższy stopień rozdzielczości niż mikroskop optyczny, ponieważ rozmiar sondy jest znacznie mniejszy niż najdłuższa długość fali światła widzialnego. W ultrawysokiej próżni mikroskop sił atomowych może obrazować poszczególne atomy. Jego niezwykle wysoka rozdzielczość sprawiła, że ​​AFM stał się popularny wśród naukowców zajmujących się nanotechnologią.

W przeciwieństwie do skanującego tunelowego mikroskopu (STM), który obrazuje powierzchnię pośrednio poprzez pomiar stopnia tunelowania kwantowego między sondą a próbką, w mikroskopie sił atomowych sonda albo kontaktuje się bezpośrednio z powierzchnią, albo mierzy początkowe wiązanie chemiczne między sondą a próbką .

AFM wykorzystuje wspornik mikroskopowy z końcówką sondy, której rozmiar jest mierzony w nanometrach. AFM działa w jednym z dwóch trybów: kontaktowym (statycznym) i dynamicznym (oscylacyjnym). W trybie statycznym sonda jest nieruchoma, natomiast w trybie dynamicznym oscyluje. Gdy AFM zostanie przybliżony lub zetknie się z powierzchnią, wspornik odchyli się. Zwykle na wsporniku znajduje się lustro odbijające laser. Laser odbija się od fotodiody, która precyzyjnie mierzy jej ugięcie. Kiedy zmienia się oscylacja lub pozycja końcówki AFM, jest ona rejestrowana w fotodiodzie i powstaje obraz. Czasami stosuje się bardziej egzotyczne alternatywy, takie jak interferometria optyczna, wykrywanie pojemnościowe lub piezorezystancyjne (elektromechaniczne) końcówki sondy.

Pod mikroskopem sił atomowych poszczególne atomy wyglądają jak rozmyte plamy w matrycy. Aby zapewnić ten stopień rozdzielczości, konieczne jest środowisko o bardzo wysokiej próżni i bardzo sztywny wspornik, który zapobiega przywieraniu do powierzchni z bliskiej odległości. Minusem sztywnego wspornika jest to, że wymaga dokładniejszych czujników do pomiaru stopnia ugięcia.

Skanujące mikroskopy tunelowe, kolejna popularna klasa precyzyjnych mikroskopów, zwykle mają lepszą rozdzielczość niż AFM, ale zaletą AFM jest to, że można je stosować w otoczeniu cieczy lub gazu, podczas gdy STM musi działać w wysokiej próżni. Umożliwia to obrazowanie mokrych próbek, zwłaszcza tkanki biologicznej. Przy zastosowaniu w ultrawysokiej próżni i ze sztywnym wspornikiem mikroskop sił atomowych ma rozdzielczość zbliżoną do STM.