Chyba jesteśmy zgodni, że ludzi od zawsze fascynowało to, co znajduje się poza zasięgiem ich wzroku? Nie tylko dalekie, nieodkryte kontynenty, niedostępne galaktyki, ale też patrząc bliżej, pod nogi – niewidoczny mikro i nanoświat.

W latach 80. XX wieku zaowocowało to skonstruowaniem przez Binniga i Rohrera mikroskopu tunelowego oraz mikroskopu sił atomowych, czyli takiego, który widzi to, co dla oka niewidoczne…

Ta intensywnie rozwijana technika przeszła do dzisiaj długą drogę i pomimo tej samej zasady działania obecnie stosowane mikroskopy nie przypominają tych sprzed 30 lat.

Niemniej jednak technika ta pozostaje wciąż jedynym narzędziem do ilościowej obserwacji, czyli do mierzenia w nanoskali.

Można dzięki niej mierzyć nie tylko morfologię różnych obiektów w skali nanometrowej, czyli ukształtowanie lub chropowatość, ale również szereg innych parametrów mechanicznych, elektrycznych lub cieplnych nowo opracowywanych materiałów i warstw.

Mikroskop sił atomowych pełni funkcję wszechstronnej suwmiarki (to taki podstawowy przyrząd pomiarowy stosowany w warsztatach) dla nowoczesnych mikro- i nanotechnologii. .

Pozwala on nawet na badanie tak złożonych zjawisk jak elastyczność błon komórkowych i innych miękkich obiektów biologicznych!

Nanosonda krzemowa to serce mikroskopu sił atomowych Kluczowym elementem takiego mikroskopu sił atomowych jest krzemowa sonda, która skanuje badaną powierzchnię z nanometrową rozdzielczością.

Daleką analogią tej idei może być igła gramofonu przesuwająca się w rowku płyty…

Nierówności w rowku odczytane przez igłę przetwarzane są na sygnał elektryczny, który po odpowiednim wzmocnieniu pozwala usłyszeć zapisaną muzykę.

W mikroskopie zaś „atomowo” ostra igła sterowana zewnętrznymi przesuwami podąża za kształtem powierzchni, dostarczając informację o jej kształcie oraz szeregu innych parametrów, jak np. temperatura, prąd, napięcie czy twardość.

Przyrządy tego typu są od kilkunastu lat rozwijane i oferowane klientom przez Łukasiewicz – IMIF w podwarszawskim Piasecznie. Ich oferta jest u nas szeroka, by dowiedzieć się, co potrafią, czytaj dalej!

Można postawić śmiałą tezę, iż drgająca lub uginająca się mikrobeleczka krzemowa to jeden z najczulszych i najbardziej uniwersalnych przyrządów pomiarowych współczesnych czasów.

Częstotliwość drgań lub stopień ugięcia będzie się zmieniać, gdy na ten przyrząd zacznie oddziaływać zewnętrzna siła lub osadzi się na nim jakaś dodatkowa masa.

Przykładem znanym każdemu może być ciężarek zawieszony na sprężynie. Im większa masa zawieszona na końcu sprężyny, z tym mniejszą częstotliwością będzie drgać cały układ. Oto cała filozofia, bo w przypadku naszego krzemowego sensora rolę sprężyny odgrywa mikrobelka o wymiarach poniżej grubości ludzkiego włosa, a masa to wszystko to, co osadzone jest na końcu dźwigni. A co może być osadzone…? Już wyjaśniam.

I tak jeśli na końcu takiej dźwigienki wykonamy obszar chemicznie lub biologicznie aktywny, do którego doczepią się konkretne substancje (np. cząstki lub obiekty bio-chemiczne takie jak wirusy, bakterie, białka lub fragmenty DNA), otrzymamy ultraczułą wagę, która potrafi zarejestrować fakt osadzenia się np. pojedynczej bakterii Escherichia coli. A jej waga to około 600 femtogramów (0,0000000000006 grama!).

Należy jednak zaznaczyć, iż nie jest to rekord świata, bo aktualne światowe doniesienia mówią o rozdzielczościach na poziomie zeptogramów (to 21 zer po przecinku, a odpowiada to policzalnej liczbie atomów).

Tak więc cała trudność polega na tym, aby zmierzyć częstotliwość drgań takiej mikrometrowej lub nanometrowej struktury. Na szczęście jest na to kilka metod, a sam pomiar zmian częstotliwości jest jednym z najlepiej opanowanych przez ludzkość. I tak otrzymujemy wagę mierzonego mikro-obiektu wyrażoną w częstotliwości, a po przeliczeniu (co nie jest banalne, ale wykonalne) możemy ważyć lub wykrywać obecność substancji lub obiektów biologicznych (nawet pojedynczych wirusów, białek lub związków chemicznych).

Co ciekawe, wykonując większą liczbę mikrodźwigni w jednym sensorze i uczulając je na różne substancje, dochodzimy do idei swoistego „sztucznego nosa”.

Prace nad tego typu sensorami również prowadzimy w naszym laboratorium w Piasecznie!

Zdjęcia:

Typowa nanosonda AFM wykonana w naszym Instytucie (dla skali – ludzki włos to 50-60um). Ta piramida jest tak ostra, że na końcu występuje policzalna ilość atomów ( 1-5nm).

Sensor krzemowy na 2 i 4 różne substancje wykonane w naszym Instytucie