Nieuw microscopieconcept treedt in werking

De ontwikkeling van scanning-sondemicroscopen in het begin van de jaren tachtig zorgde voor een doorbraak in de beeldvorming en gooide een venster op de wereld op nanoschaal open. Het belangrijkste idee is om een ​​extreem scherpe punt over een substraat te scannen en op elke locatie de sterkte van de interactie tussen punt en oppervlak vast te leggen. Bij scanning-krachtmicroscopie is deze interactie – zoals de naam al aangeeft – de kracht tussen punt en structuren op het oppervlak. Deze kracht wordt typisch bepaald door te meten hoe de dynamiek van een trillende punt verandert wanneer deze over objecten scant die op een substraat zijn afgezet. Een veel voorkomende analogie is met een vinger over een tafel tikken en objecten op het oppervlak voelen.

Een team onder leiding van Alexander Eichler, senior wetenschapper in de groep van Prof. Christian Degen aan het Departement Fysica van de ETH Zürich, heeft dit paradigma op zijn kop gezet. Schrijven in Fysieke beoordeling toegepastrapporteren ze de eerste scanning-krachtmicroscoop waarin de punt in rust is terwijl het substraat met de monsters erop trilt.

Staart kwispelen met de hond

Krachtmicroscopie uitvoeren door “de tafel onder de vinger te laten trillen” lijkt de procedure misschien ingewikkelder te maken. In zekere zin wel. Maar het beheersen van de complexiteit van deze omgekeerde benadering levert grote vruchten op. De nieuwe methode belooft de gevoeligheid van krachtmicroscopie tot zijn fundamentele limiet te brengen, verder dan wat kan worden verwacht van verdere verbeteringen van de conventionele “vingertikken” -benadering.

De sleutel tot de verhoging van de gevoeligheid is de keuze van het substraat. De ’tafel’ in de experimenten van Eichler, Degen en hun collega’s is een geperforeerd membraan van siliciumnitride, slechts 41 nm dik. Medewerkers van de ETH-natuurkundigen, de groep van Albert Schliesser aan de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken, hebben deze lage-massa membranen vastgesteld als uitstekende nanomechanische resonatoren met extreme kwaliteitsfactoren. Als er eenmaal op het membraan is getikt, trilt het miljoenen keren of meer voordat het tot rust komt. Gezien deze voortreffelijke mechanische eigenschappen wordt het in principe voordelig om de tafel te laten trillen in plaats van de vinger.

Nieuw concept in praktijk gebracht

Het vertalen van deze theoretische belofte naar experimenteel vermogen is het doel van een lopend project tussen de groepen Degen en Schliesser, met theoretische ondersteuning van Dr. Ramasubramanian Chitra en Prof. Oded Zilberberg van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de ETH Zürich. Als mijlpaal op die reis hebben de experimentele teams nu aangetoond dat het concept van op membranen gebaseerde scanning-krachtmicroscopie werkt in een echt apparaat.

Ze toonden in het bijzonder aan dat noch het laden van het membraan met monsters, noch het brengen van de punt tot binnen een afstand van enkele nanometers de uitzonderlijke mechanische eigenschappen van het membraan in gevaar brengt. Zodra de punt het monster echter nog dichter nadert, verandert de frequentie of amplitude van het membraan. Om deze veranderingen te kunnen meten, is het membraan voorzien van een eiland waar tip en monster op elkaar inwerken, evenals een tweede mechanisch gekoppeld aan de eerste, van waaruit een laserstraal gedeeltelijk kan worden gereflecteerd, om een ​​gevoelige optische interferometer te verschaffen.

Quantum is de limiet

Door deze opstelling aan het werk te zetten, loste het team met succes gouden nanodeeltjes en tabakmozaïekvirussen op. Deze afbeeldingen dienen als een proof of principle voor het nieuwe microscopieconcept, hoewel ze de mogelijkheden nog niet naar nieuw terrein duwen. Maar het doel is binnen bereik. De onderzoekers zijn van plan hun nieuwe aanpak te combineren met een techniek die bekend staat als magnetische resonantie kracht microscopie (MRFM) om magnetische resonantie beeldvorming mogelijk te maken met een resolutie van afzonderlijke atomen, en zo uniek inzicht te geven in bijvoorbeeld virussen.

MRI op atoomschaal zou een nieuwe doorbraak zijn in de beeldvorming, waarbij ultieme ruimtelijke resolutie wordt gecombineerd met zeer specifieke fysische en chemische informatie over de atomen die worden afgebeeld. Voor de realisatie van die visie is een gevoeligheid nodig die dicht bij de fundamentele limiet van de kwantummechanica ligt. Het team heeft er vertrouwen in dat ze zo’n kwantumbeperkte krachtsensor kunnen realiseren door verdere vooruitgang in membraantechniek en meetmethodologie. Met de demonstratie dat scankrachtmicroscopie op basis van membranen mogelijk is, is het ambitieuze doel nu een grote stap dichterbij gekomen.