AFM-pioniers erkend met Kavli-prijs

30 jaar en 9.000 citaties later werden de uitvinders van de Atomic Force Microscope (AFM) vandaag erkend met de Kavli Prize in Nanoscience.

Gerd Binnig en Christoph Gerber in de jaren negentig.

De prijs wordt gedeeld door Gerd Binnig, Christoph Gerber en Calvin Quate. Binnig en Gerber waren eerder bij IBM Research - Zürich en werkten samen met Quate van Stanford University, terwijl ze op sabbatical waren (Binnig bij Stanford, Gerber bij IBM Research in San Jose, nu Almaden).

De drie wetenschappers ontvangen de prijs “voor de uitvinding en realisatie van atomic force microscopie, een doorbraak in meettechnologie en nanosculpting die een transformerende impact blijft hebben op nanowetenschap en technologie .”

De AFM werd voor het eerst gepubliceerd op 3 maart 1986 in het peer-reviewed tijdschrift Physical Review Letters met de eenvoudige titel “Atomic Force Microscope”. De uitvinding combineerde de principes van scanning tunneling microscopie (STM) en de stylus profilometer om atomaire resolutie te detecteren. Binnig heeft de STM een paar jaar eerder samen met wijlen Heinrich Rohrer uitgevonden en beiden ontvingen in 1986 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Binnig, die alleen op het eerste patent staat, werd geciteerd in IEEE Spectrum Magazine in 2004 met de mededeling dat het idee voor de AFM onbewust bij hem opkwam terwijl hij op de bank lag. Bij Stanford betrok hij Calvin Quate en zijn IBM-collega Christoph Gerber, met wie hij al had samengewerkt voor de ontwikkeling van de STM, en samen realiseerden ze de AFM.

Gerber, die onlangs werd geïnterviewd in Physics World magazine over het 30-jarig bestaan ​​van de AFM, gaf commentaar op de evolutie van de uitvinding:

“Gerd suggereerde dat het misschien mogelijk zou zijn om de interactieve krachten te meten, in plaats van de stroom, tussen tip en monster, en dat we dit misschien met een cantilever zouden kunnen doen. We deden een ruwe berekening en realiseerden ons dat om een ​​atomaire resolutie te krijgen, we krachten moesten kunnen detecteren op het niveau van 10 ^–10   N of zelfs 10 ^–11  N! ”

Het geheim van het meten van de kleine atoomkrachten werd geleverd door twee kostbare elementen:goud en diamant. Gerber commentaar in Physics World:

“Het hart van het apparaat was een zeer dunne goudfolie van slechts een paar micron dik die als cantilever werd gebruikt. We namen een fragment van een gebroken diamant verkregen met de stylus van een platenspeler en plakten het op de cantilever om als tip te dienen."

“We kregen niet meteen een atomaire resolutie, maar we waren dichtbij genoeg om een ​​tijdschriftartikel in te dienen. Binnen een jaar hadden we een geavanceerder instrument, gebaseerd op een in serie vervaardigde siliconen cantilever die voor het eerst een atomaire resolutie liet zien op een grafietoppervlak.”

Na hun baanbrekende werk duwden de drie AFM-technologie in verschillende nieuwe richtingen, met name met betrekking tot cantilever-ontwerp en toepassingen.

Binnig paste het ontwerp van de cantilever aan om een ​​enorm parallelle sonde te creëren voor nanostructurering, gericht op de ontwikkeling van niet-vluchtig geheugen. Dit werk heeft geleid tot een aantal innovaties, waaronder nanopatroontechnieken.

Bij IBM ontwikkelde Gerber een "kunstneus" met behulp van een cantilever-array, die succesvol is gebleken op het gebied van chemische en biochemische reacties en in medische toepassingen. Hij zet dit onderzoek vandaag voort in zijn onderzoeksgroep in Basel, Zwitserland.

Quate heeft zich gericht op micromechanische cantilevers voor detectietoepassingen voor het ontdekken van geneesmiddelen, voedseldiagnostiek, materiaalkarakterisering en detectie van explosieven.

In de afgelopen 30 jaar hebben AFM-instrumenten een enorme ontwikkeling doorgemaakt met betrekking tot gevoeligheid, resolutie en toepassingsspreiding naar diverse gebieden.

In 2008 gebruikten Markus Ternes en collega's van IBM Research - Almaden dit detectieschema bijvoorbeeld om afzonderlijke atomen over een oppervlak te schuiven met behulp van een AFM en ook om de betrokken krachten direct te meten.

Een jaar later wijzigde een team van IBM-wetenschappers in Zürich, onder leiding van Gerhard Meyer en Leo Gross, de punt van hun AFM met een enkel koolmonoxidemolecuul. Dit diatomische molecuul, dat minder dan een nanometer lang is, produceerde beelden met zo'n hoge resolutie dat de interne chemische structuur van een enkel molecuul kon worden opgelost (chemische bindingen).

Gross merkt op:"Een belangrijk onderscheidend kenmerk van onze techniek, met betrekking tot andere gevestigde technieken, is dat we afzonderlijke moleculen meten. Een ander voordeel is dat we de tip kunnen gebruiken om chemische reacties van individuele moleculen te initiëren en dat we de reacties kunnen volgen en hun producten op atomaire schaal kunnen bestuderen.”

Meyer en Gross publiceerden onlangs met hun collega Bruno Schuler een artikel over het 30-jarig bestaan ​​van de AFM in Physics World:

“Belangrijk is dat een AFM met hoge resolutie kansen biedt om fysische, chemische en biologische processen op het niveau van individuele moleculen te begrijpen en te beheersen. Voortdurende verbeteringen in krachtgevoeligheid plus temporele en ruimtelijke resolutie zullen de grenzen in de nanowetenschap verder verleggen. Misschien kan de AFM over nog eens 30 jaar verder worden verbeterd in de richting van een atomaire assembler, zoals Richard Feynman aan de orde stelde in zijn beroemde toespraak uit 1959 "Er is voldoende ruimte aan de onderkant":een hulpmiddel dat willekeurige, atomair nauwkeurige 3D-apparaten, metamaterialen en moleculen kan bouwen .”

"Hoe dan ook, het lijdt geen twijfel dat de AFM ontdekkingen van fundamentele natuurkunde tot scheikunde en de levenswetenschappen zal blijven promoten, en de meest raadselachtige mechanismen van de natuur op nanometerschaal en daarbuiten zal ontrafelen."

Het is de tweede keer dat IBM-wetenschappers de Kavli-prijs ontvangen. Don Eigler won in 2010 de Kavli-prijs voor nanowetenschappen voor de ontwikkeling van atoommanipulatie en voor de opheldering van kwantumverschijnselen met nauwkeurig gecontroleerde atomaire en moleculaire rangschikkingen op oppervlakken.

De Kavli-prijzen erkennen wetenschappers voor baanbrekende vooruitgang in ons begrip van het bestaan ​​op de grootste, kleinste en meest complexe schaal. Elk van de drie internationale prijzen, die om de twee jaar worden uitgereikt op het gebied van astrofysica, nanowetenschappen en neurowetenschappen, bestaat uit $ 1 miljoen (VS). De laureaten worden gekozen door commissies waarvan de leden worden aanbevolen door zes van 's werelds meest gerenommeerde wetenschappelijke verenigingen en academies.