AFM Pioniers Geëerd met Kavli Prijs in Nanowetenschap

Na 30 jaar en meer dan 9.000 citaties, zijn de uitvinders van de Atomic Force Microscope (AFM) bekroond met de Kavli Prijs in Nanowetenschap.

Gerd Binnig en Christoph Gerber in de jaren '90.

De Kavli Prijs wordt gedeeld tussen Gerd Binnig, Christoph Gerber en Calvin Quate. Binnig en Gerber waren eerder gebaseerd bij IBM Research - Zürich, terwijl Quate bij Stanford University was. Tijdens een sabbatical was Binnig bij Stanford en Gerber bij IBM Research in San Jose (nu Almaden), wat nauwe samenwerking bevorderde.

De drie wetenschappers werden geëerd "voor de uitvinding en realisatie van atomic force microscopy, een doorbraak in meettechnologie en nanosculpting die een transformatieve impact blijft hebben op nanowetenschap en technologie."

De AFM werd voor het eerst beschreven in een 3 maart 1986 uitgave van Physical Review Letters onder de knappe titel "Atomic Force Microscope." Het apparaat combineerde de principes van scanning tunnelling microscopy (STM) met een stylus profilometer, wat atoomaire-resolutie beeldvorming mogelijk maakte.

Binnig, die ook de STM co-uitvond met de overledene Heinrich Rohrer, ontving de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1986 voor dat werk. Hij crediteerde later het AFM idee aan een subconscient inzicht dat hij had terwijl hij op een bank lag, zoals genoteerd in een 2004 interview in IEEE Spectrum Magazine.

Tijdens zijn tijd bij Stanford, wierp Binnig de expertise van Calvin Quate en zijn IBM collega Christoph Gerber in - die eerder had samengewerkt aan de STM - om de AFM van concept naar realiteit te brengen.

In een recent interview met Physics World ter herdenking van de 30e verjaardag, reflecteerde Gerber op de uitvinding's evolutie:

"Gerd suggereerde dat we de interactieve krachten tussen tip en monster zouden kunnen meten, in plaats van de tunneling stroom, en dat een cantilever dit kon doen. Wij deden een ruwe berekening en realiseerden ons dat atoomaire resolutie het detecteren van krachten op het niveau van 10^–10 N of zelfs 10^–11 N vereiste!"

Het vermogen om dergelijke minuscule krachten te voelen hing af van twee sleutelmaterialen: goud en diamant. Gerber legde uit:

"Het hart van het apparaat was een erg dun goudfolie, slechts een paar micron dik, gebruikt als cantilever. Wij bevestigten een fragment van een geplette diamant - oorspronkelijk van een plaatjespeler naald - aan de cantilever om als de tip te dienen."

Hoewel atoomaire resolutie niet direct bereikt werd, was het team dicht genoeg om een paper in te dienen. Binnen een jaar ontwikkelden ze een batch-gefabriceerde silicium cantilever die de eerste atoomaire-resolutie beelden op een graafiet oppervlak produceerde.

Na deze mijlpaal duwde het trio AFM technologie in nieuwe richtingen, met name in cantilever ontwerp en toepassing.

Binnig pionierde een massively parallel probe voor nano-structurering, gericht op het ontwikkelen van non-volatile memory. Zijn werk spurred een golf van innovaties in nanopatterning technieken.

Gerber ontwikkelde een "kunstmatige neus" gebruikmakend van een cantilever array, bereikend doorbraken in chemische, biochemische en medische diagnostiek. Hij voortzet dit onderzoek met zijn groep aan de Universiteit van Basel, Zwitserland.

Quate focuste op micromechanische cantilevers voor sensing toepassingen in geneesmiddelontdekking, voedingsdiagnostiek, materiaalkarakterisering en explosieven detectie.

Over de afgelopen drie decennia hebben AFM instrumenten dramatisch geëvolueerd, verbeterende gevoeligheid en resolutie terwijl ze uitbreidden in diverse velden.

In 2008 gebruikten Markus Ternes en collega's bij IBM Research - Almaden de AFM om enkele atomen over een oppervlak te schuiven en de betrokken krachten direct te meten.

Het volgende jaar, een team van IBM Research - Zürich, geleid door Gerhard Meyer en Leo Gross, modifyde de AFM tip met een enkel koolstofmonoxide molecuul. Deze diatoom tip, minder dan één nanometer lang, leverde beelden die de interne chemische structuur van individuele moleculen resolveerden - chemische bindingen in real-time.

Gross merkte op: "Een hoofd differentiatie van onze techniek is dat we enkele moleculen meten. Een ander voordeel is dat we de tip kunnen gebruiken om chemische reacties van individuele moleculen te initieren en de producten op atoomaire schaal te tracken."

Meyer, Gross en Bruno Schuler publiceerden recent een artikel over de AFM's 30e verjaardag in Physics World, statuerend:

"High-resolutie AFM biedt opportuniteiten om fysieke, chemische en biologische processen op het niveau van individuele moleculen te begrijpen en te controleren. Lopende verbeteringen in krachtgevoeligheid, temporele en ruimtelijke resolutie zullen de grenzen van nanowetenschap nog verder duwen. Misschien in nog eens 30 jaar zou de AFM kunnen evolueren naar een atoomaire assembler, zoals Richard Feynman envisageerde in zijn 1959 lezing "There's Plenty of Room at the Bottom" - een tool die willekeurige, 3D atoomaire precieze apparaten, metamaterialen en moleculen kan bouwen."

"Ongeacht, er is geen twijfel dat de AFM door ontdekkingen zal blijven drijven van fundamentele natuurkunde tot chemie en levenswetenschappen, ontrafelend de meest enigmatische mechanismen van de natuur op de nanometer schaal en daarbuiten."

Dit is de tweede Kavli Prijs toegekend aan een IBM wetenschapper. Don Eigler ontving de 2010 Kavli Prijs in Nanowetenschap voor het ontwikkelen van atoomm Manipulatie en het verhelderen van kwantumfenomenen met precies gecontroleerde atoomaire en moleculaire arrangementen op oppervlakken.

De Kavli Prizes eren wetenschappers die vooruitgang pionieren in ons begrip van existentie op haar grootste, kleinste en meest complexe schalen. Toegekend biennial in astrofysica, nanowetenschap en neurowetenschap, draagt elke prijs een $1 miljoen beloning (VS). Laureaten worden geselecteerd door comités wier leden worden aanbevolen door zes van de werelds meest gerenommeerde wetenschappelijke maatschappijen en academies.