Basler Forscher verbessern Messung atomarer Kräfte
Wissenschafter des Departements für Physik der Universität Basel haben die herkömmliche Messmethode der Rasterkraftmikroskopie weiterentwickelt. Jetzt ist die Messung atomarer Wechselwirkungskräfte im Bereich von Billionstel Newton möglich, womit konkrete Aussagen über die atomare Struktur von Oberflächen gemacht werden können.
Um Kräfte auf atomarer Ebene zu messen, verwendet man bei der Rasterkraftmikroskopie seit einigen Jahren einen federnden Ausleger, einen Federbalken, an dessen Ende eine feine, auf nur wenige Atome verjüngte Spitze sitzt. Für die Messung wird der Balken in Schwingung versetzt, sodass seine Spitze über der Oberfläche der Probe mit seiner Grundfrequenz oszilliert. Beim Abfahren einer Probenoberfläche wirken Kraftfelder auf die schwingende Spitze, deren Einfluss gemessen und ausgewertet wird. Den Basler Forschern ist es nun gelungen, den Abstand zwischen Spitze und Probe zu optimieren. Mit einem eigenen mathematischen Modell können jetzt Kraftfelder mit subatomarer Auflösung aus den gemessenen Daten abgeleitet werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend konnten die Wissenschafter eine neue, wesentlich sensitivere und stabilere Messmethode der Kraftfelder entwickeln – die bimodale Rasterkraftmikroskopie.
Zwei Frequenzen
Bei der bimodalen Rasterkraftmikroskopie wird der mit seiner Grundfrequenz schwingende Federbalken zusätzlich durch den ersten Oberton bei einer höheren Frequenz angeregt. Die Amplitude dieser zweiten Schwingung kann auf Bruchteile eines Billionstel Meters reduziert werden. Sie reagiert damit wesentlich empfindlicher auf die atomaren Wechselwirkungskräfte mit kurzer Reichweite. Dadurch werden zum einen wegen der grossen Amplitude der Grundschwingung die bisherigen Messungen stabiler und verlässlicher und zum anderen kann mithilfe der Oberschwingung eine hochsensitive Kraftmessung erfolgen.
Rasterkraftmikroskop seit über 20 Jahren unverzichtbar
Das Rasterkraftmikroskop ist seit seiner Einführung vor über zwanzig Jahren für die Forschung in Biologie, physikalischer Medizin, Chemie und Physik unverzichtbar geworden. Die Erfinder bezeichneten es 1986 als Atomic Force Microscope (AFM). Diese Bezeichnung ist auch heute noch gebräuchlich. Da jedoch nicht nur zwischenatomare, sondern auch Kräfte anderer physikalischer oder chemischer Natur gemessen werden können, wird das Instrument heute auch als Scanning Force Microscope (SFM) bezeichnet.
Shigeki Kawai et al.: Ultrasensitive detection of lateral atomic-scale interactions on graphite (0001) via bimodel dynamic force measurements, Phys. Rev. B81, 17. Februar 2010, DOI:10.1103/Phys RevB.81.085420
Quelle
M.B. nach Universität Basel, Medienmitteilung, 24. Februar 2010