مشخصه‌یابی مواد نانو؛ قسمت ۲

1. میکروسکوپ نیروی اتمی  (AFM)

¹AFM نوع دوم میکروسکوپ‌های پروپی روبشی است که سطح نمونه را توسط یک سوزن تیز² روبش می‌کند. AFM بر پایه‌ی‌ نیروی الکترونی بین نوک پروپ میکروسکوپ و نمونه است. نیروی برهم‌کنش بین نوک پروپ و سطح نمونه، به فاصله‌ی نمونه از نوک پروپ بستگی دارد. برای مثال، وقتی نمونه به نوک پروپ بسیار نزدیک باشد، نیروی دافعه‌ی واندروالس، و هرگاه سطح نمونه از نوک پروپ دور باشد، نیروی جاذبه‌ی واندروالس نقش مهمی را بازی می‌کنند.

اساس کار AFM به این صورت است که نوک پروپ این میکروسکوپ به یک تیرک (کانتی‌لیور³ ) متصل است (مانند شکل1) که تغییر در نیروی اتمی آن را خم می‌کند. این سوزن از جنس سیلیکون یا نیترید سیلیکون بوده و ابعادی در محدوده نانومتر دارد. در واقع، نیروی وارد شده به سوزن، تیرک را خم کرده و بدین طریق می‌توان میزان نیروی وارد شده به سوزن را با توجه به قانون هوک به دست آورد. برای اندازه‌گیری میزان جابجایی تیرک در این میکروسکوپ‌ها از پرتو لیزر استفاده می‌شود.

2. روش‌های تصویربرداری از طریق AFM

برای تصویربرداری از طریق میکروسکوپ نیروی اتمی، معمولاً از دو روش استفاده می‌شود:

2-1) روش تماسی (استاتیک یا AFM-DC)

در روش تماسی، نوک پروپ به نمونه تماس پیدا می‌کند و نیروی دافعه بین اتم‌های سطح نمونه و نوک پروپ، نیروی غالب در این روش است. در این روش، نیروی اعمالی به نوک پروپ ثابت است. با استفاده از دنبال کردن انحرافات به وجود آمده در تیرک در اثر حرکت سوزن میکروسکوپ روی سطح نمونه، ‌می‌توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.

2-2) روش غیرتماسی (دینامیک یا AFM-AC)

در روش غیرتماسی، تیرک در فرکانسی نزدیک به فرکانس طبیعی خود لرزش می‌کند و نوک پروپ بسیار نزدیک به نمونه بوده و نیروی جاذبه بین اتم‌های سطح نمونه و نوک پروپ، نیروی غالب است. تغییرات در نیروهای اتمی بین تیرک و سطح ماده را می‌توان از تغییرات در دوره‌ی تناوب فرکانس طبیعی تیرک متوجه شد. با کاهش فاصله‌ی نوک پروپ با سطح نمونه که منجر به افزایش نیرو می‌شود، دامنه‌ی نوسان تیرک کاهش می‌یابد. با استفاده از دنبال کردن تغییرات دوره تناوب فرکانس طبیعی تیرک می‌توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.

3. کاربردهای AFM

3-1) به دست آوردن تصاویر توپوگرافی و فاز

این تصاویر در واقع نقشه‌ای از تغییرات خواص مکانیکی و فیزیکی سطح نمونه است. تصاویر توپوگرافی مستقیماً اندازه‌گیری‌های سه بعدی از ساختار سطح را ممکن می‌سازند و بزرگ‌نمایی قابل دسترس با آن بسیار بیشتر از میکروسکوپ‌های نوری و حتا میکروسکوپ الکترونی است. علاوه بر توپوگرافی، با استفاده از تصاویر فاز می‌توان تغییر خواص مکانیکی (و در نتیجه تغییر جنسیت) سطح را بررسی کرد. بنابراین، می‌توان با مقایسه تصاویر فاز با توپوگرافی موادی که از چند فاز مجزا تشکیل شده‌اند (مثل نانوکامپوزیت‌ها) فازهای مختلف را از هم تمیز داد.

3-2) به دست آوردن تصویر مغناطیسی

جهت تهیه تصویر مغناطیسی از تکنیک میکروسکوپ نیروی مغناطیسی ⁴ (MFM) استفاده می‌شود. این نوع میکروسکوپ از یک پروپ مغناطیسی برای آنالیز برهم‌کنش‌های مغناطیسی بین پروپ و سطح استفاده می‌کند. میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (AFM) به علت داشتن قدرت تفکیک جانبی بسیار بالا در به تصویر کشیدن حوزه‌های مغناطیسی، به ابزار بسیار قدرتمندی در بررسی محیط‌های ذخیره اطلاعات مغناطیسی همچون: سطح دیسک سخت، کارت‌های مغناطیسی و... تبدیل شده است. شکل 2 تصویر حوزه‌های مغناطیسی روی سطح دیسک سخت⁵  را با استفاده از تکنیک MFM نشان می‌دهد.

3-3) اندازه‌گیری خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی

یکی از کاربردهای مهم این میکروسکوپ در اندازه‌گیری خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی است. برای این منظور، نانولوله‌ی کربنی را به یک زیرلایه از جنس سیلیکون متصل می‌کنند به طوری که، یک انتهای نانولوله به سطح سیلیکون متصل و انتهای دیگر آزاد باشد. سپس نوک پروپ میکروسکوپ را به انتهای آزاد نانولوله نزدیک کرده و توسط نیروهای الکتریکی موجود در نوک پروپ میکروسکوپ، به نانولوله نیرو وارد می‌کنند. سپس با استفاده از میزان جابجایی نوک پروپ میکروسکوپ، خواص مکانیکی نانولوله نظیر مدول الاستیک، چقرمگی شکست و برخی خواص دیگر را اندازه‌گیری می‌کنند.

3-4) اندازه‌گیری پارامترهای آماری

به همراه تصاویر توپوگرافی و فاز می‌توان پرامترهای زبری را برای سطوح مختلف اندازه‌گیری کرد. اندازه‌گیری پارامترهای زبری نظیر درصد صافی سطح، میزان انحرافات و... در بسیاری از صنایع از اهمیت بالایی برخوردار است. تعیین این پارامترها با دقت بسیار بالا و به خصوص در ابعاد نانومتری بسیار دشوار و با روش‌‌های معمول ناممکن است. در لایه نشانی لایه‌های نازک، ساخت نانوفیلترها و... که نسبت سطح به حجم بالاست و ساختارها و پستی و بلندی‌هایی از مرتبه نانومتر مورد نظر است، AFM تبدیل به ابزار بی‌نظیری برای اندازه‌گیری پارامتری زبری می‌شود.

3-5) کاربردهای بیولوژیکی

AFM در ابتدا برای تصویربرداری توپوگرافی و بررسی خواص مکانیکی نمونه‌های بیولوژیکی به کار گرفته شد. کاربردهای آن امروزه به حوزه داروسازی، بیوتکنولوژی، میکروبیولوژی، بیولوژی ساختاری، بیولوژی مولکولی، ژنتیک و دیگر حوزه‌های مرتبط گسترش پیدا کرده است.

اولین تصویر AFM از ویروس‌ها توسط کالبه ⁶ از باکتری‌خوار 4T گرفته شد (شکل 3). و هم اکنون AFM برای تصویر گرفتن و بررسی ساختارهای پروتئین، AND، سلول‌های سرطانی، باکتری‌ها، برهم‌کنش‌های آنزیمی، غشاها، کروموزوم‌ها و... در شرایط فیزیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نمونه‌های بیولوژی بسیار صاف هستند و چسبندگی کمی با سطح دارند. بنابراین استفاده از AFM-AC) AFM غیرتماسی) برای این نمونه‌ها مزایای زیادی دارد، زیرا کوچک‌ترین خسارتی به نمونه در حین روبش وارد نمی‌شود.

فیلم چگونگی عملکرد AFM

1.Atomic Force Microscopy

2.TIP

3.Cantilever

4.Magnetic Force Microscopy

5.Hard Disk

6.Kolbe

گردآوری:‌مریم ملک‌دار

http://www.tebyan.net/Science_Technology/Nanotechnology/2008/12/7/80376.html