Τα Δέκα Άρθρα του PRL

4. Μικροσκόπιο ατομικής δύναμης
("Atomic Force Microscope")
G. Binnig, C. Quate, Ch. Gerber,
Phys. Rev. Lett. 56(1986)930
Αριθμός αναφορών: 3469

Το 1986 ήταν μια πολύ γόνιμη χρονιά για τον Gerd Binnig: ο φυσικός των Εργαστηρίων της ΙΒΜ στη Ζυρίχη είχε ευλογηθεί με τη γέννηση ενός γιού, είχε κερδίσει το βραβείο Νόμπελ φυσικής μαζί με τον Heinrich Rohrer για την εφεύρεση του μικροσκοπίου σήραγγος (το βραβείο απονεμήθηκε επίσης στον Ernst Ruska για τις εργασίες του στην οπτική ηλεκτρονίων), και είχε δημοσιεύσει στο περιοδικό PRL μια εργασία με εξαιρετικά μεγάλο αριθμό αναφορών, που έφερε το λακωνικό τίτλο Μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM). «Προκαλεί έκπληξη, έτσι δεν είναι;» είναι η χαμηλών τόνων απάντηση του Binnig όταν του ζητάμε να σχολιάσει τα γεγονότα σχετικά με την ανάπτυξη ενός από τα πλέον ευέλικτα αναλυτικά εργαλεία που εμφανίστηκαν στο ερευνητικό προσκήνιο στη διάρκεια ενός αιώνα. «Ήταν μια πολύ συναρπαστική χρονιά για μένα καθώς εργαζόμουν σε αυτή την υπέροχη ομάδα στο Stanford».

Ο Binnig θυμάται καθαρά τη στιγμή που του ήρθε η έμπνευση για το AFM. «Μετά τη λειτουργία του μικροσκοπίου σήραγγος βασάνιζα το μυαλό μου για πολλά χρόνια προσπαθώντας να πετύχω ατομική διακριτική ικανότητα σε μονωτές» (τα μικροσκόπια σήραγγος απεικονίζουν μόνον αγωγούς). «Μια μέρα καθόμουν στον καναπέ και ξαφνικά είδα ένα σχέδιο στη στατιστικά δομημένη οροφή. Ήταν το σχέδιο ενός AFM με μια ακίδα στερεωμένη σε ένα μεταλλικό στέλεχος», λέει ο Binnig. «Το συζήτησα με τον Cal (Quate) και τον Christoph (Gerber)Φάνηκε ότι κανείς ώς τότε δεν είχε αναρωτηθεί κατά πόσον θα ήταν δυνατή η μέτρηση της δύναμης μεταξύ δύο ατόμων. Με τι θα έμοιαζε ένα τέτοιο όργανο; Πώς θα λειτουργούσε; Στη συνέχεια ο Christoph κατασκεύασε το πρώτο AFM στα Εργαστήρια της IBM. Εκείνος εργαζόταν κυρίως στην IBM, ενώ εγώ κυρίως στο Stanford».

Το AFM που οραματίστηκε ο Binnig είναι μια εννοιολογικά απλή διάταξη: μια αιχμηρή ακίδα από πυρίτιο, άνθρακα, ή κάποιο άλλο υλικό είναι στερεωμένη σε μια βελόνα που συνδέεται με ένα ελατήριο το οποίο σύρεται πάνω στην επιφάνεια ενός δείγματος. Σε έναν από τους πιο κοινούς τρόπους λειτουργίας του, ένα σύστημα ανάδρασης προσαρμόζει την απόσταση μεταξύ δείγματος και ακίδας, έτσι ώστε να διατηρεί μια σταθερή απομάκρυνση του ελατηρίου καθώς αυτό διασχίζει το δείγμα, και η δομή του περιγράμματος της επιφάνειας προκύπτει μέσω της παρακολούθησης σημάτων στο βρόχο ανάδρασης. Η αλληλεπίδραση μεταξύ ακίδας και δείγματος μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω διαφόρων δυνάμεων, ηλεκτρικών, μαγνητικών, van der Waals, αναλόγως του υλικού του δείγματος και του ιδιαίτερου τρόπου σάρωσης που έχει επιλεγεί. Αντίθετα με το μικροσκόπιο σήραγγος, το οποίο απεικονίζει διακυμάνσεις στο ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει μεταξύ της ακίδας και ενός αγώγιμου δείγματος, το AFM μπορεί να παρέχει εικόνες από ένα ευρύ φάσμα τόσο αγώγιμων όσο και μονωτικών υλικών.

«Βασικά», λέει ο Cal Quate, διευθυντής της ομάδας στο Stanford, όπου ο Binnig άρχισε την ανάπτυξη του AFM κατά τη διάρκεια μιας εκπαιδευτικής άδειας από την ΙΒΜ, «είναι ένας φωνογράφος σε μικροσκοπική κλίμακα ώστε να αντιλαμβάνεται άτομα». Στην πραγματικότητα, ο Christoph Gerber κατασκεύασε ένα τμήμα του πρώτου AFM από ένα φωνογράφο του εμπορίου. «Το πρώτο ελατήριο ήταν ένα έλασμα από χρυσό με μια ακίδα κολλημένη στο άκρο του», εξηγεί ο Gerber, «και επρόκειτο για ένα μικρό αδαμάντινο κρύσταλλο από ένα παλιό πικάπ που είχα αγοράσει γι' αυτό το σκοπό στο Palo Alto». O Gerber διέλυσε τον κρύσταλλο και διάλεξε ένα από τα πιο κοφτερά θραύσματα για να το χρησιμοποιήσει ως την πρώτη τους ακίδα.

Παρ' ότι το AFM είναι σήμερα ευρέως αναγνωρισμένο ως μικροσκόπιο ατομικής διακριτικής ικανότητας, δεν ήταν εξ αρχής σαφές ότι θα ήταν ικανό να ανιχνεύει τις λεπτομέρειες που πρότειναν οι Binnig, Gerber και Quate. «Το γεγονός ότι στον τίτλο της εργασίας υπήρχε η λέξη «ατομικής» συνεπαγόταν πως θα βλέπαμε άτομα», λέει ο Quate.

Ωστόσο, αρχικά, οι κριτές του περιοδικού PRL στάθηκαν στις σαρώσεις χαμηλής διακριτικής ικανότητας που αναφέρονταν στην εργασία, και αμφέβαλαν για την τελική επίδοση του AFM που προέβλεπαν οι συγγραφείς. «Διαφωνήσαμε με τους κριτές», λέει γελώντας ο Quate, «και χρειάστηκε αρκετός χρόνος μέχρι να τους πείσουμε ότι η εργασία ήταν δημοσιεύσιμη».

Φυσικά, οι κριτές τελικά παραδέχθηκαν την ορθότητα των επιχειρημάτων, αλλά εκ των υστέρων ο σκεπτικισμός τους φαίνεται τουλάχιστον εν μέρει δικαιολογημένος αν λάβει κανείς υπόψιν του τις προκλήσεις που οι συγγραφείς αντιμετώπισαν στα χρόνια που ακολούθησαν τη δημοσίευση στο PRL. Οι πρώιμες εικόνες του AFM από τη δομή σε ατομική κλίμακα αποδείχθηκαν απατηλές. «Πάντα αναρωτιόμουν γιατί οι επιφάνειες που εξετάζαμε με το AFM έμοιαζαν πολύ τακτοποιημένες από ατομική άποψη, αλλά παρουσίαζαν μεγάλη αταξία όταν τις μελετούσαμε με το μικροσκόπιο σήραγγος», θυμάται ο Binnig. «Η εξήγηση είναι ότι πολλά άτομα της ακίδας του AFM απεικονίζουν την ατομική δομή της επιφάνειας. Το αποτέλεσμα είναι μια επικάλυψη πολλών ατομικών εικόνων όπου οι ατέλειες εξαλείφονται, αλλά η περιοδικότητα παραμένειχρειάστηκαν επτά χρόνια μέχρι να πετύχουμε [πραγματική] ατομική διακριτική ικανότητα. Σήμερα το πρόβλημα αυτό είναι υπό έλεγχο».

Ως επί το πλείστον, σημειώνουν οι τρεις ερευνητές, τα AFM σπανίως λειτουργούν με την έσχατη διακριτική ικανότητά τους. Το μεγαλύτερο ποσοστό της δημοτικότητάς τους ως αναλυτικά εργαλεία και συνεπώς πολλές από τις αναφορές στη δημοσίευση στο PRL, είναι αποτέλεσμα της απίστευτης ευελιξίας του μικροσκοπίου σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών πεδίων. «Είναι προφανές ότι η εξέταση κάθε είδους υλικού στην ατομική κλίμακα, ή κοντά σε αυτήν, έχει μεγάλη διαφορά», λέει ο Binnig. «Βλέπε και πίστευε. Η κατανόηση της δομής της ύλης σε αυτή την κλίμακα και η ικανότητα χρήσης της μέσω του AFM ή άλλων οργάνων με έναν ελεγχόμενο τρόπο "οπτικής παρατήρησης" ανοίγει ένα νέο κόσμο. Αυτό ήταν σαφές και το μικροσκόπιο σήραγγος λειτούργησε αμέσως, κάτι που υπήρξε το μεγαλύτερο βήμα σε αυτή την κατεύθυνση. Όμως το AFM διεύρυνε αυτή τη δυνατότητα με πολλούς τρόπους. Μια μεγάλη επιστημονική κοινότητα μπορεί να χειριστεί το AFM για ένα μεγάλο εύρος δειγμάτων έχοντας την επιλογή, εκτός από τη μέτρηση ρευμάτων σήραγγος και τη διεξαγωγή φασματοσκοπίας σήραγγος, να πραγματοποιήσει φασματοσκοπία δύναμης».

«Αναπτύξαμε το AFM με αποκλειστικό σκοπό να πετύχουμε ατομική διακριτική ικανότητα σε μη αγώγιμες επιφάνειες», προσθέτει ο Gerber. «Αυτή ήταν η ιδέα και χρειάστηκαν πολλά χρόνια [μετά τη δημοσίευση της εργασίας]. Στο μεταξύ πολλοί ερευνητές εκτίμησαν την απλότητα της διάταξης και ανέπτυξαν το AFM σε αυτό το ευέλικτο εργαλείο που έχουμε σήμερα. Είναι απίστευτο το τι μπορείς να κάνεις με αυτό». Τα τελευταία χρόνια, τα AFM έχουν βελτιωθεί και τροποποιηθεί σε σημείο ώστε να μπορούν να μετρήσουν μαλακά, βιολογικά δείγματα καθώς και τους τραχείς κρυστάλλους που βρίσκονταν στην εστία των πρώιμων μελετών. Άλλες εκδοχές του οργάνου ανιχνεύουν χημικές ιδιότητες, αντιδρούν σε μαγνητικά πεδία, ή μετρούν δυνάμεις τριβής σε μικροσκοπική κλίμακα, για να αναφέρουμε μόνο λίγες από τις φαινομενικά αμέτρητες παραλλαγές του AFM.

«Όταν κοιτάξετε την οργανολογία», προσθέτει ο Gerber, «μοιάζει με το απώτερο διάστημα, όπως το Hubble και όλα αυτά, που συμβάλλουν στην κατανόηση μας για το σύμπαν. Αυτό που πετύχαμε με το μικροσκόπιο σήραγγος και το AFM, συνέβαλε στο άνοιγμα του νανόκοσμου στην οπτικοποίηση. Κατά τη γνώμη μου, αυτά είναι τα δύο πιο σπουδαία πράγματα που συνέβησαν στην οργανολογία τα τελευταία είκοσι χρόνια».

Και οι τρεις επιστήμονες παραμένουν ενεργοί στο πεδίο της έρευνας και ανάπτυξης της μικροσκοπίας AFM. Αν και έχει πλέον συνταξιοδοτηθεί από την ΙΒΜ, ο Gerber συνεχίζει να μελετά βιολογικές εφαρμογές του AFM στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας, στην Ελβετία. Ο Quate, που κατέχει την έδρα Leland T. Edwards στη Σχολή Μηχανικών του Stanford, εργάζεται σε διατάξεις AFM με νανο-ακίδες από άνθρακα. Ο Binnig, όπως και ο Quate, αναλώνει μέρος του χρόνου του εργαζόμενος σε διατάξεις AFM, στις οποίες συμπεριλαμβάνεται μια παράλληλη διάταξη από χιλιάδες ακίδες γνωστή ως Πρόγραμμα "Χιλιοποδαρούσα". Επιπροσθέτως, ο Binnig ασχολείται με την υπολογιστική πολυπλοκότητα και ηγείται μιας ερευνητικής ομάδας στο Μόναχο, η οποία αποπειράται να μοντελοποιήσει την ανθρώπινη αντίληψη.

ΠΗΓΗ: APS News, Μάιος 2003
Απόδοση στα Ελληνικά: Θεοφάνης Γραμμένος