Forskare har upptäckt en "blind fläck" i atomkraftsmikroskopi - ett kraftfullt verktyg som kan mäta kraften mellan två atomer, avbildning av enskilda cellers struktur och biomolekylers rörelse.

Atomer är cirka en tiondels nanometer stora, eller en miljon gånger mindre än bredden på ett människohår.

Den nya studien visar att noggrannheten i atomkraftmätningar beror på vilka kraftlagar som gäller.

Kraftlagar som finns i den nyupptäckta "blinda fläcken" - som är vanliga i naturen - kan leda till felaktiga resultat. Studien beskriver också en ny matematisk metod för att se och undvika denna blinda fläck, skydda atomkraftmätningar från felaktiga resultat.

Professor John Sader, från University of Melbournes School of Mathematics and Statistics och Australian Research Council Centre of Excellence in Exciton Science, ledde forskningen, med University of Melbourne-forskaren Barry Hughes och Ferdinand Huber och Franz Giessibl från University of Regensburg i Tyskland. Verket publiceras idag i tidskriften Naturens nanoteknik .

"Atomkraftsmikroskopet (AFM) ger utsökt upplösning på atomär och molekylär skala. Det har också den anmärkningsvärda förmågan att mäta kraften mellan två atomer, " sa professor Sader.

AFM använder en liten fribärande stråle (vars längd är bredden på ett människohår) för att känna formen på en yta och känna av krafterna den möter – på ungefär samma sätt som pennan eller nålen på en skivspelare fungerar, med en vass spets vid konsolens ände som samverkar med ytan.

För att möjliggöra exakta mätningar på atomär skala, fribäraren (och dess spets) oscillerar "dynamiskt" upp och ner med sin naturliga resonansfrekvens - något bort från ytan. Den faktiska kraft som spetsen upplever återvinns från denna uppmätta frekvens.

Forskarna kan nu visa att denna dynamiska mätning suddar ut kraften i atomskala, ta bort information som kan göra återhämtning av den faktiska kraften problematisk – skapa en effektiv "blind fläck".

"Den återvunna kraften kanske inte ser ut som den sanna kraften, " sa professor Sader. "Det är anmärkningsvärt att denna fråga är helt frånvarande för vissa atomkraftlagar, medan det för andra skapar ett verkligt problem.

"Dynamiska kraftmätningar tittar effektivt på atomkraften genom en suddig lins. En matematisk algoritm behövs sedan för att omvandla detta till en faktisk kraft."

År 2003, Professor Sader och en kollega från Trinity College Dublin utvecklade en av dessa algoritmer – kallad Sader-Jarvis-metoden – som används flitigt för att återvinna kraften i atomskala från denna suddiga frekvensmätning.

"Det hade inte funnits någon antydan om att denna suddighet skulle kunna vara ett problem sedan den dynamiska AFM-tekniken uppfanns 1992. Många oberoende forskare har utforskat den och visat att alla standardkraftlagar ger mycket robusta resultat, " sa professor Sader.

"Sedan, förra året, medarbetare och medförfattare till denna studie från University of Regensburg såg en anomali för första gången i sina mätningar och förmedlade den till mig. Jag blev förvånad över att se denna anomali och angelägen om att identifiera orsaken."

Forskarna fann att de matematiska särdragen i frekvensmätningarna effektivt hade dolt detta problem i klarsynt.

"Frågan är matematiskt subtil, Professor Sader sa. "Tvinga lagar som tillhör något som kallas Laplace-rymden - som alla har testat - är bra. Det är de som inte är en del av detta utrymme som orsakar problemet - och det finns många av dem i naturen."

Genom att titta på detaljerna i denna subtilitet, Professor Sader kunde formulera en ny matematisk teori och metod som identifierar när suddighetsproblemet uppstår i en verklig mätning, låta AFM-utövaren undvika det.

"Jag tycker om att tänka på vår upptäckt som att ge utövare möjligheten att se ett "grythål" i vägen framåt, och därmed undvika det utan skada. Tidigare, det här hålet hade gått obemärkt förbi och förare styrde ibland rakt in i det, " sa professor Sader.

"Nästa steg är att försöka förstå hur man tar bort den här "blinda fläcken" och "grytan" helt.

"Vårt arbete belyser också vikten av att matematiker och experimentalister arbetar tillsammans för att lösa ett viktigt tekniskt problem. Utan båda kompetensuppsättningarna, detta problem skulle inte ha identifierats och lösts. Det hade gått obemärkt förbi i mer än 25 år."

Professor Sader sa att denna nya förståelse kan ge insikt i hur andra dynamiska AFM-kraftmätningar fungerar genom att identifiera en tidigare outforskad funktion.