Ett team av forskare från Jülich i samarbete med University of Magdeburg har utvecklat en ny metod för att mäta de elektriska potentialerna i ett prov med atomnoggrannhet. Med konventionella metoder, det var praktiskt taget omöjligt förrän nu att kvantitativt registrera de elektriska potentialer som uppstår i omedelbar närhet av enskilda molekyler eller atomer. Den nya metoden för skanning av kvantprickmikroskopi, som nyligen presenterades i tidningen Naturmaterial av forskare från Forschungszentrum Jülich tillsammans med partners från två andra institutioner, kan öppna nya möjligheter för chipstillverkning eller karakterisering av biomolekyler som DNA.

De positiva atomkärnorna och de negativa elektronerna som all materia består av producerar elektriska potentialfält som överlagrar och kompenserar varandra, även över mycket korta sträckor. Konventionella metoder tillåter inte kvantitativa mätningar av dessa fält med liten yta, som är ansvariga för många materialegenskaper och funktioner på nanoskala. Nästan alla etablerade metoder som kan avbilda sådana potentialer är baserade på mätning av krafter som orsakas av elektriska laddningar. Ändå är dessa krafter svåra att skilja från andra krafter som förekommer på nanoskala, vilket förhindrar kvantitativa mätningar.

Fyra år sedan, dock, forskare från Forschungszentrum Jülich upptäckte en metod baserad på en helt annan princip. Skanning av kvantpunktmikroskopi innebär att en enda organisk molekyl - kvantpunkten - fästs vid spetsen av ett atomkraftmikroskop. Denna molekyl fungerar sedan som en sond. "Molekylen är så liten att vi kan fästa enskilda elektroner från atomkraftmikroskopets spets till molekylen på ett kontrollerat sätt, "förklarar doktor Christian Wagner, chef för gruppen Controlled Mechanical Manipulation of Molecules vid Jülichs Peter Grünberg Institute (PGI-3).

Forskarna insåg omedelbart hur lovande metoden var och lämnade in en patentansökan. Dock, praktisk tillämpning var fortfarande långt borta. "Initialt, det var helt enkelt en överraskande effekt som var begränsad i dess tillämpbarhet. Det har allt förändrats nu. Inte bara kan vi visualisera de elektriska fälten hos enskilda atomer och molekyler, vi kan också kvantifiera dem exakt, "förklarar Wagner." Detta bekräftades genom en jämförelse med teoretiska beräkningar som gjorts av våra medarbetare från Luxemburg. Dessutom, vi kan avbilda stora delar av ett prov och därmed visa en mängd olika nanostrukturer samtidigt. Och vi behöver bara en timme för en detaljerad bild. "

Jülich -forskarna ägnade år åt att undersöka metoden och utvecklade slutligen en sammanhängande teori. Anledningen till de mycket skarpa bilderna är en effekt som gör att mikroskopspetsen kan förbli på ett relativt stort avstånd från provet, ungefär två till tre nanometer - ofattbart för ett normalt atomkraftmikroskop.

I detta sammanhang, det är viktigt att veta att alla element i ett prov genererar elektriska fält som påverkar kvantpunkten och därför kan mätas. Mikroskopspetsen fungerar som en skyddande sköld som dämpar de störande fälten från områden i provet som ligger längre bort. "Påverkan av de skärmade elektriska fälten minskar således exponentiellt, och kvantpunkten detekterar bara det närmaste omgivande området, "förklarar Wagner." Vår upplösning är alltså mycket skarpare än vad man kan förvänta sig från en idealisk punktsond. "

Jülich -forskarna är skyldiga till hastigheten med vilken hela provytan kan mätas till sina partners från Otto von Guericke University Magdeburg. Ingenjörer där utvecklade en controller som hjälpte till att automatisera komplexet, upprepad sekvens av skanning av provet. "Ett atomkraftmikroskop fungerar lite som en skivspelare, "säger Wagner." Spetsen rör sig över provet och delar ihop en komplett bild av ytan. I tidigare skanning kvantpunkt mikroskopi arbete, dock, vi var tvungna att flytta till en enskild plats på provet, mäta ett spektrum, gå till nästa webbplats, mäta ett annat spektrum, och så vidare, för att kombinera dessa mätningar till en enda bild. Med Magdeburg -ingenjörernas styrenhet, vi kan nu helt enkelt skanna hela ytan, precis som att använda ett normalt atomkraftmikroskop. Även om det brukade ta oss 5-6 timmar för en enda molekyl, vi kan nu avbilda provprover med hundratals molekyler på bara en timme. "

Det finns också några nackdelar, dock. Att förbereda mätningarna tar mycket tid och ansträngning. Molekylen som fungerar som kvantpunkt för mätningen måste fästas på spetsen i förväg - och detta är endast möjligt i vakuum vid låga temperaturer. I kontrast, normala atomkraftsmikroskop fungerar också vid rumstemperatur, utan behov av vakuum eller komplicerade förberedelser.

Och ändå, Stefan Stefan, direktör på PGI-3, är optimistisk:"Detta behöver inte begränsa våra alternativ. Vår metod är fortfarande ny, och vi är glada över de första projekten så att vi kan visa vad det verkligen kan göra. "

Det finns många tillämpningsområden för kvantpunktmikroskopi. Halvledarelektronik pressar skalgränser i områden där en enda atom kan göra skillnad för funktionalitet. Elektrostatisk interaktion spelar också en viktig roll i andra funktionella material, såsom katalysatorer. Karakteriseringen av biomolekyler är en annan väg. Tack vare det relativt stora avståndet mellan spetsen och provet, metoden är också lämplig för grova ytor - såsom ytan på DNA -molekyler, med sin karakteristiska 3D-struktur.