Student World

Fyzikům z německé univerzity v Augsburku se podařilo vytvořit nový rekord v mikroskopii. Jimi vytvořená metoda atomové silové mikroskopie umožňuje zobrazovat detaily povrchu materiálů v délce menší než 100 pikometrů (100 biliontin metru).

Zobrazovací metoda rastrovací sondové mikroskopie (což je společný název pro různé druhy skenovací tunelové mikroskopie a atomové silové mikroskopie) využívá jevu, který se nazývá kvantové tunelování. Skenovací tunelová mikroskopie (scanning tunneling microscope, STM) byla vyvinuta více než před dvaceti lety ve výzkumném ústavu IBM v Curychu. Umožňuje nejen zobrazit skutečný povrch hmoty v rozlišení na atomární úrovni, ale i manipulaci s jednotlivými molekulami či dokonce atomy. Dnes se využívá v nanotechnologii k vypracování přesných topografických map povrchu materiálů. Vylepšenou a tudíž ještě o dost přesnější metodou současné mikroskopie je atomová silová mikroskopie (atomic force microscope, AFM), která je založena na měření rozložení atomových sil na povrchu vzorku.

Tento druh mikroskopie se ani trochu nepodobá klasické optické mikroskopii, neboť výsledný obraz není pozorován přímo, ale je výsledkem výpočtu hodnot vlnových funkcí prostřednictvím kvantových rovnic. Hodnoty jsou měřeny mechanickými sondami s hroty, které se pohybují v bezprostřední blízkosti mikroskopovaného vzorku. Povrch tohoto vzorku pak tvoří jednu část vodiče, zatímco druhou je hrot mikroskopu, opatřený skenovacími cívkami a magnetickou a elektrostatickou čočkou. Pohybuje-li se hrot, do něhož je vpouštěn elektrický proud, nad povrchem či po povrchu vzorku (tzv. kontaktní STM), lze díky kvantovým jevům přesně zmapovat strukturu tohoto povrchu v měřítku nanometru. Výpočet vlnových funkcí pak umožňuje získat na monitoru počítače obraz molekulové či atomové struktury materiálů. Přesněji řečeno přestavuje tento obraz jakousi „stojatou vlnu elektronů“ znázorňující, jak by vypadal vzorec elektronů, kdyby nám náš zrak umožňoval spatřit je přímo.

Možnosti skenovací tunelové mikroskopie jsou omezeny tím, že měří jen průměrnou hodnotu uvolňovaných elektronů. Hrot atomového silového mikroskopu je naproti tomu uzpůsoben tak, že se vyhodnocuje velikost elektrostatických sil na povrchu materiálů, jichž se účastní všechny elektrony. Tyto síly jsou vyvolány těsným přiblížením hrotu k povrchu, čímž vzniká přitažlivá nebo odpudivá síla, která způsobuje jemný ohyb raménka s hrotem. Detekce ohybu se provádí zpravidla laserovým interferometrem. Franz Giessibl a jeho spolupracovníci na Univerzitě v Augsburku vyvinuli nový způsob AFM, v němž využili atomů wolframu k zobrazení atomu uhlíku. Změřením elektrostatických sil těchto dvou atomů poskytla těmto vědcům natolik přesné hodnoty, že na jejich základě mohli vytvořit obraz atomu uhlíku s ultravysokým rozlišením (napříč 77 pm = 77 x 10 exp -12 m). Tým se nyní pokusí stejnou metodou získat zobrazení dalších lehkých atomů, berylia a vodíku.

Více informací:

Lehrstuhl für Experimentalphysik VI
http://www.physik.uni-augsburg.de/exp6/index/index_d.shtml

Introduction to Atomic Force Microscopy (AFM)
http://spm.phy.bris.ac.uk/techniques/AFM/

How AFM works?
http://stm2.nrl.navy.mil/how-afm/how-afm.html

autor Jan Kapoun