Adams skapelse

Et Følende Nanoverktøy i Nanoteknologens Verktøykasse

For å jobbe med noe så smått må man ha de riktige verktøyene. I nanoteknologien jobber vi med tynne filmer, små molekyler og innimellom enkeltatomer. Uten riktige verktøy er ikke dette arbeidet mulig, og et slikt nanoverktøy er en familie med teknikker som har fellesbetegnelsen «Scanning Probe Microscopy» (SPM). Med SPM kan nanoteknologen se på, føle og mønstre overflater. Disse instrumentene kan til og med la teknologene skrive med enkeltatomer!

Verdens første AFM. Foto: John Dalton

Verdens første atomkraftmikroskop – AFM. Et instrument i familien Scanning Probe Microscopy. Foto: John Dalton

SPM-teknikker kan la forskere studere ting i mange forskjellige størrelser. Selv om teknikken kan se store ting også bruker mange forskere til å se på ting som celler, små molekylkjeder og proteiner til enkeltmolekyler og tilogmed enkeltatomer. Med SPM kan forskere flytte enkeltatomer, plassere bakterier på veldefinerte punkter eller skrive med nanometerstore bokstaver og mønstre på en overflate. De kan se overflatenes strukturer eller kjenne hvor hard overflaten er og hvor godt den fester seg til forskjellige ting. Til tross for mange anvendelsesområder er teknikkene i prinsippet veldig enkle. En SPM virker som en gammel gramofon:  En veldig spiss tupp blir dratt over en overflate og overflaten dytter tilbake. Om overflaten har en kul dyttes tuppen opp og om overflaten har et hull så går tuppen ned. Der en grammofoner oversetter slike bevegelser til lyd former SPM bilder eller informasjon om overflateegenskaper som hardhet. Man kan altså si at en SPM ser overflaten litt på samme måte som en blind person gjør: Ved å føle den. Men en SPM kan også påvirke overflaten, eller se på mer enn bare struktur. Dytter man veldig hardt kan man ripe overflaten eller føle hvor hard den er. Dekker man tuppen med et «blekk» kan man skrive på overflaten. Lager man en magnetisk tupp kan du lage et bilde av overflatens magnetiske egenskaper. Man kan feste et kjemikalie til tuppen og et annet til overflaten du vil dra tuppen over, slik kan forskeren finne ut hvor sterkt kjemikaliet på tuppen binder seg til kjemikaliet på overflaten – eller hvor hardt de frastøter hverandre. Dette kan være av interesse om du vil vite hvordan en medisin reagerer med proteiner i kroppen, eller hvordan immunforsvaret vårt gjenkjenner bakterier. Ved å variere tuppen og overflaten man vil studere kan man lage en lang rekke forskjellige teknikker som ser på helt forskjellige egenskaper. En liste som med tid og stunder godt kan bli enda lenger er å finne på Wikipedia.

De første Scanning Probe-mikroskopene, nobelpris og atomskrift.

IBM skrevet med Xenon-atomer. Fra IBM Alameden forskningssenter.

IBM skrevet med Xenon-atomer. Fra IBM Alameden forskningssenter.

Teknikkene har sitt opphav i 1981 når Gerber og Rohrer fra IBM lagde det første scanning probe-mikroskopet. Ved å sette en liten strøm over en spiss nål, en metallnål, og en ledende overflate kunne de bruke et kjent kvantemekanisk prinsipp: At elektroner kan tunnelere. Over veldig små avstander kan elektroner faktisk gå fra et sted til et annet uten å bevege seg gjennom rommet mellom de to stedene. Dette skjer ikke veldig ofte, så en slik strøm er svak. Men den kan måles, og den avhenger av hvordan overflaten nålen dras over oppfører seg. Ved å bruke disse variasjonene kan man lage et nanoverktøy. Teknikken var revolusjonerende, med denne kan man se overflater helt ned på atomnivå! Tunneleringsmikroskopet til Gerber og Roher stopper ikke ved å observere imidlertid. Åtte år etter det første mikroskopet kunne ikke IBM bare se enkeltatomer med denne teknikken, de kunne også skrive med enkeltatomer – det første de skrev var selvsagt «IBM» (Se bilde i høyre marg). I 2013 brukte de den samme teknikken til å lage «verdens minste film», titulert «A Boy and His Atom», som du kan se under. https://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0 For å lage denne videoen brukte IBM et avansert setup med ekstremt lave temperaturer og vakuum, men teknikken kan for en rekke prøver brukes i romtemperatur og -trykk, og selv her vil man kunne se enkeltatomer. Dette er med på å gjøre teknikken attraktiv. Ikke bare er den kraftig, for mange eksperimenter er den også relativt enkel å ta i bruk.

Atomkraftmikroskopi (AFM)

Atomkraftmikroskopi for avbildning av enkeltmolekyler

Molekyler før og etter reaksjon. Bildet er tatt med atomkraftmikroskop på Berkeley av Oteyza m.fl. En ångstrøm (Å) er en tiendedels nanometer.

«Atomkraft» i atomkraftmikroskopi (AFM) sikter til frastøtning og tiltrekking mellom atomer. I motsetning til tunneleringsmikroskopi vi beskrev over kan atomkraftmikroskopi se på alle typer overflater i luft, vakuum eller under væske. Teknikken er veldig godt kjent blant nanoteknologer og andre som en kraftig og anvendelig, men noe tidkrevende, teknikk. AFM kan sies å være en hel familie teknikker, og disse bruker ikke en liten tunnelerings-strøm for å se på prøven, men fysisk kontakt (eller svært lave avstander) mellom tuppen og overflaten. Der tunneleringsmikroskopi trenger en ledende overflate kan AFM se på en hvilken som helst overflate, og med riktig utstyr kan man også med AFM oppnå atomær oppløsning. Et eksempel på nettopp det er å se i bildeboksen til venstre for dette avsnittet. Her ser man et molekyl før og etter en reaksjon har gått, de hvite linjene du ser er ikke atomene selv, men båndene mellom dem. Det å kunne faktisk se bånd mellom atomer avbildet som dette er langt å foretrekke fremfor å måtte tolke seg frem til  Forskere fra Berekley i USA brukte AFM til å se på kjemikalier før og etter en reaksjon skjedde, de klarte å vise ikke bare atomenes posisjon men også båndene mellom atomene ble visualisert.

AFM – en nano-penn

Adams skapelse

Michelangelos freskomaleri «Adams skapelse» gjenskapt med AFM av Oxford Instruments

Om man har en nål man drar over en overflate kan man gjøre mer enn å observere overflaten, man kan også bruke nålen til «litografi», det vil si å bruke nålen til å skrive, tegne eller mønstre overflaten. Enten ved å ripe i overflaten, eller ved å bruke et blekk. Flere forskjellige metoder er brukt for å bruke AFM til å skrive mønstre på forskjellige overflater. Mulighetene er elegant illustrert av Oxford Instruments gjenskapelse av Michelangelos freskomaleri «Adams skapelse» som vises i høyre marg. Mulighetene er store for forskning såvel som gjenskapelse av kjente kunstverk når presisjonen blir så høy som man kan få den med AFM. Slike teknikker brukes i forskning på mange felt. Et eksempel er nano-elektronikk hvor de for eksempel kan brukes til å bygge opp små komplekse kretser med nanometerstørrelser. Andre forskere har brukt AFM-litografi til å feste bakterier i ordnede mønstre for så å studere dem videre i etterkant.

AFM for studier av hurtige mekanismer

Når man kan se så små ting med en slik nøyaktighet kunne man tenke seg at SPM-teknikker ville være veldig attraktive, og det er de. Men det er spesielt en utfordring som har satt en demper på potensielle bruksområder: SPM teknikker er tradisjonelt veldig tidkrevende. Å ta et stillbilde av en overflate som ikke beveger seg er lett nok, om man tar seg god tid. Men dersom overflaten er i endring eller bevegelse har ikke teknikken tradisjonelt sett kunnet brukes. Dette har betydd at å studere for eksempel en kalsitt som løses i vann eller små protein-motorer som beveger seg langs en sti ikke har vært mulig med SPM teknikker. Dette har endret seg i nyere tid med høyhastighets AFM. Ukens video publisert 21. Januar 2015 er fra et studie som bruker høyhastighets AFM. En annen video som viser oppløsning av kalsitt er å se under. Den ble tatt opp av Dr. Dominik Ziegler fra ETH i Zurich. https://www.youtube.com/watch?v=NV-ZKG2uCaA

Og mye, mye mer!

Scanning Probe Microscopy består av en lang rekke teknikker som lar nanoteknologen se på overflaten, føle på stivhet, hardhet og festeegenskapene til en overflate – eller mønstre overflaten. I denne artikkelen har vi kun har sett på noen få eksempler. Teknikkene er prinsipielt enkle, elegante og kraftige teknikker som har muliggjort mye forskning på en lang rekke felt som inkluderer materialteknologi, biofysikk, halvlederteknologi og mye mer. Vi i SmallPrint gleder oss til å se nye spennende funn muliggjort av denne store og voksende familien med nanoverktøy – SPM.

Facebooktwittergoogle_plusredditpinterestlinkedinmailby feather
 

Tagged: , , ,


Vegar Ottesen

Om

Jeg er veldig glad i både det veldig store og det veldig lille! Jeg følger nøye med på nyheter innen alt fra astronomi til nanoteknologi. Samtidig er jeg opptatt av bærekraft og samspillet mellom mennesker og natur. I doktorgraden min forsker jeg på nanocellulose: Et trygt, miljøvennlig og bærekraftig materiale med veldig spennende egenskaper! På smallprint.no skriver jeg om nanoteknologi som døråpner for bærekraft, helse og miljøvennlighet.


'Et Følende Nanoverktøy i Nanoteknologens Verktøykasse' har ingen kommentarer

Vær den første til å kommentere dette innlegget

Del dine tanker

Your email address will not be published.

© smallPrint A.S. All right reserved. Page based on Old Paper by ThunderThemes.net