En ny typ av atomkraftmikroskop (AFM) använder nanotrådar som små sensorer. Till skillnad från standard AFM, enheten med nanotrådssensor möjliggör mätningar av både krafternas storlek och riktning. Fysiker vid universitetet i Basel och vid EPF Lausanne har beskrivit dessa resultat i det senaste numret av Naturens nanoteknik .

Nanotrådar är extremt små trådliknande kristaller som är uppbyggda molekyl för molekyl från olika material och som nu mycket aktivt studeras av forskare över hela världen på grund av deras exceptionella egenskaper.

Trådarna har normalt en diameter på 100 nanometer och har därför bara cirka en tusendels hårtjocklek. På grund av denna lilla dimension, de har en mycket stor yta i jämförelse med volymen. Detta faktum, deras lilla massa och felfria kristallgitter gör dem mycket attraktiva i en mängd olika avkänningsapplikationer i nanometerskala, inklusive som sensorer för biologiska och kemiska prover, och som tryck- eller laddningssensorer.

Mätning av riktning och storlek

Teamet av Argovia-professorn Martino Poggio från Swiss Nanoscience Institute (SNI) och Institutionen för fysik vid universitetet i Basel har nu visat att nanotrådar också kan användas som kraftsensorer i atomkraftmikroskop. Baserat på deras speciella mekaniska egenskaper, nanotrådar vibrerar längs två vinkelräta axlar med nästan samma frekvens. När de integreras i en AFM, forskarna kan mäta förändringar i de vinkelräta vibrationerna som orsakas av olika krafter. Väsentligen, de använder nanotrådarna som små mekaniska kompasser som pekar ut både riktningen och storleken på de omgivande krafterna.

Bild av det tvådimensionella kraftfältet

Forskarna från Basel beskriver hur de avbildade en mönstrad provyta med hjälp av en nanotrådssensor. Tillsammans med kollegor från EPF Lausanne, som odlade nanotrådarna, de kartlade det tvådimensionella kraftfältet ovanför provytan med hjälp av sin nanotrådskompass. Som ett bevis på principen, de kartlade också testkraftfält som produceras av små elektroder.

Den mest utmanande tekniska aspekten av experimenten var förverkligandet av en apparat som samtidigt kunde skanna en nanotråd ovanför en yta och övervaka dess vibrationer längs två vinkelräta riktningar. Med sin studie, forskarna har visat en ny typ av AFM som kan utöka teknikens många tillämpningar ytterligare.

AFM - idag flitigt använt

Utvecklingen av AFM för 30 år sedan hedrades med utdelningen av Kavli-priset i början av september i år. Professor Christoph Gerber från SNI och Institutionen för fysik vid universitetet i Basel är en av pristagarna, som väsentligt har bidragit till den breda användningen av AFM inom olika områden, inklusive fasta tillståndets fysik, materialvetenskap, biologi, och medicin.

De olika typerna av AFM utförs oftast med hjälp av konsoler gjorda av kristallint Si som den mekaniska sensorn. "Att flytta till mycket mindre nanotrådssensorer kan nu möjliggöra ytterligare förbättringar av en redan otroligt framgångsrik teknik", Martino Poggio kommenterar sitt tillvägagångssätt.