میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) نوعی مکیروسکوپ پروبی روبشی (SPM) با بزرگنمایی در حد نانومتر، یعنی بیش از ۱۰۰۰ برابر بهتر از بزرگنمایی میکروسکوپ‌های نوری است. نحوه‌ی گردآوری اطلاعات در این میکروسکوپ توسط لمس سطح به وسیله‌ی یک پروب مکانیکی است؛ و مواد پیزوالکتریکی که موجبات ایجاد حرکات ریز و بسیار دقیق طبق دستور الکتریکی را فراهم می‌کنند، اسکن بسیار دقیق سطح را ممکن می‌سازند.
قابلیت‌های میکروسکوپ نیروی اتمی
میکروسکوپ نیروی اتمی سه قابلیت عمده دارد:
اندازه‌گیری نیرو: میکروسکوپ AFM می‌توانند نیروهای بین پروب و نمونه را با توجه به تفکیک متقابلشان محاسبه کند. از این ویژگی می‌توان برای طیف‌سنجی نیرو، با هدف اندازه‌گیری خواص مکانیکی مواد، مانند سختی آن‌ها استفاده کرد.
تصویربرداری: به این منظور، از واکنش‌های پروب به نیروهای واردشده به نمونه برای تولید تصویری سه-بعدی با رزولوشن بالا استفاده می‌شود. این کار با اسکن شطرنجی محل نمونه، و با درنظرگرفتن ارتفاع نوک پروب که به کنش‌های مداوم پروب-نمونه پاسخ می‌دهد، به انجام رسیده، ونهایتاً توپوگرافی سطح تحت عنوان یک نقشه سودوکالر منتشر می‌شود.
در میکروسکوپ نیروی اتمی، پستی‌ها و بلندی‌ها در هر سه محور طول، عرض، و ارتفاع توسط این میکروسکوپ گزارش می‌شوند. این کار در نمونه‌های قدیمی با استفاده از رنگ‌های تیره برای نقاط عمیق و رنگ‌های روشن برای نقاط سطحی‌تر صورت می‌گرفت. اما امروزه باتوجه به امکان استفاده از رایانه و نرم‌افزارهای سه-بعدی امکان تهیه توپوگراف سطحی نمونه در هر سه بعد وجود دارد.
دستکاری مواد: نیروهای بین نمونه و پروب می‌تواند به منظور تغییر مشخصات نمونه، به صورتی کنترل‌شده به کار گرفته شود. نمونه‌های این عمل شامل دستکاری اتمی، لیتوگرافی پروب روبشی، و تحریک موضعی سلول‌ها می‌باشد.
مقاله مرتبط: میکروسکوپ تونلی روبشی (STM): تونلی به دنیای میکروسکوپی
درصورت تهیه‌ی تصویر توپوگرافیک، اندازه‌گیری سایر خصوصیات نمونه نیز عموماً با رزولوشن بالا ممکن خواهد بود. مثال‌هایی از این خصوصیات شامل خواصی از جمله سختی، قدرت چسبندگی، و خواص الکتریکی نظیر رسانایی و پتانسیل سطح است. در واقع بخش اعظم تکنولوژی‌های SPM حاصل تلفیق و بسط‌دهی کارایی‌های میکروسکوپ AFM به طرق مختلف است.
مقایسه AFM با سایر تکنولوژی‌های میکروسکوپی
تفاوت اصلی میکروسکوپ نیروی اتمی با سایر میکروسکوپ‌ها و تکنولوژی‌های رقیب مانند میکروسکوپ نوری یا الکترونی این است که میکروسکوپ نیروی اتمی از عدسی یا تابش پرتویی استفاده نمی‌کند. به همین دلیل نیز محدودیتی در رزولوشن فضایی آن، وجود نداشته و نیاز به ایجاد خلا (برای هدایت پرتو)، و رنگ‌آمیزی نمونه‌ها نیز ندارد.
تاریخچه‌ی میکروسکوپ نیروی اتمی
عصر میکروسکوپ‌های SPM در سال ۱۹۸۲ و با اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) توسط گرد بینینگ (Gerd Binnig)، و هاینریش روهرر (Heinrich Rohrer) که منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۸۶ توسط آن‌ها شد، آغاز گردید. در همان سال، موفقیت عظیم دیگری نیز با اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی توسط گرد بینینگ (Gerd Binning)، کالوین کویت (Calvin Quate)، و کریستف گربر (Christoph Gerber) رخ داد، که تا به امروز به ایجاد تحول‌هایی عظیم در روش‌های اندازه‌گیری و بررسی ساختارها در مقیاس نانو منجر شده است.
مدهای عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی
مد تماسی (Contact Mode): میکروسکوپ نیروی اتمی از سال ۱۹۸۶ تا کنون دچار تغییرات و توسعه‌های زیادی شده است. اولین میکروسکوپ AFM از نوع تماسی بوده است. در میکروسکوپ نوع تماسی، نوک پروب، که به انتهای یک کانتیلور متصل شده است، سطح نمونه را به صورت شطرنجی اسکن می‌کند. انحراف کانتیلور به دلیل تعاملات بین سطح نمونه و پروب، شکل سطح نمونه را آشکار می‌کند. در نوع تماسی، مطالعه‌ی نمونه‌ها در هر محیطی (اعم از هوا، مایعات، و یا خلا) امکان‌پذیر است. اما بررسی سطوح نموه‌های بیولوژیکی توسط آن کمی مشکل است. زیرا این نمونه‌ها اغلب دارای سطحی نرم، و اتصالات ضعیف هستند که آن‌ها را نسبت به نمونه‌های دیگر، آسیب‌پذیرتر می‌کند.
مد غیرتماسی (Non-Contact Mode): این میکروسکوپ برای اولین بار در سال ۱۹۸۷ و طی تلاش برای ارائه تصاویری دقیق‌تر از نمونه‌های زیستی ارائه شد. در این نوع میکروسکوپ، کانتیلور در محدوده‌ی تزدیک به فرکانس رزونانس، در فاصله‌ای کم (۱ تا ۱۰ نانومتر) برفراز نمونه نوسان می‌کند. نیروهای جاذب دوربرد باعث القای تغییرات در دامنه، فرکانس، و فاز کانتیلور شده و فاصله‌ی ثابت طی اسکن سطح را حفظ می‌کنند؛ و با توجه به اینکه نیروهای اعمال‌شده بر نمونه در مقایسه با مدل تماسی بسیار پایین‌تر است، حتی نرم‌ترین نمونه‌ها نیز بدون ایجاد هرگونه آسیب توسط آن قابل بررسی هستند.
مد تماس متناوب یا ضربه‌ای (Tapping Mode): مد تماسی برای اولین بار در سال ۱۹۹۳ معرفی شد. در این مد نیز همانند نوع غیرتماسی، کانتیلور در فرکانس رزونانس نوسان می‌کند اما برخلاف آن، در طی اسکن سطح به آرامی به آن ضربه زده و به این طریق از آسیب نیروهای جانبی می‌کاهد.
امروزه میکروسکوپ نیروی اتمی با پیشرفت علم و معرفی ابزار دقیق استفاده‌ی گسترده‌ای در رشته‌های مختلف از جمله مهندسی، علم مواد، و زیست‌شناسی یافته است.
کاربردها
امروزه میکروسکوپ نیروی اتمی با پیشرفت علم و معرفی ابزار دقیق استفاده‌ی گسترده‌ای در بسیاری از زمینه‌های علمی مانند علوم طبیعی، شامل فیزیک حالت جامد، مهندسی مولکولی، شیمی و فیزیک پلیمر، بیولوژی مولکولی، بیولوژی سلول، و پزشکی یافته است و به حل مشکلات آن‌ها کمک می‌کند. حال به برخی از این کاربردها اشاره خواهیم کرد:
کاربردهای میکروسکوپ نیروی اتمی در زمینه‌ی فیزیک حالت جامد شامل تشخیص اتم‌های تشکیل دهنده‌ی سطح، بررسی تعاملات بین اتم‌های مشخص و اتم‌های همسایه‌ی آن‌ها، و مطالعه‌ی چگونگی تغییرات خواص فیزیکی به دنبال تغییرات نظم اتمی طی دستکاری‌های اتمی می‌باشد.
در علم زیست‌شناسی مولکولی، میکروسکوپ نیروی اتمی برای مطالعه‌ی ساختار و خواص مکانیکی کمپلکس‌های پروتئینی و سایر ساختارهای پیچیده به کار می‌رود. برای مثال از میکروسکوپ نیروی اتمی تاکنون برای تصویربرداری از میکروتوبول‌ها و اندازه‌گیری سختی آن‌ها استفاده شده است.
در زیست‌شناسی سلولی نیز می‌توان از میکروسکوپ نیروی اتمی با هدف تمییز سلول‌های سرطانی و سلول‌های طبیعی براساس سختی سلول‌ها، و نیز بررسی تعاملات موجود بین سلول‌های مشخص و سلول‌های همسایه‌ی آن‌ها در یک محیط کشت رقابتی استفاده کرد. همچنین از میکروسکوپ نیروی اتمی می‌توان برای مطالعه‌ی چگونگی تنظیم سختی یا شکل غشا و دیواره‌ی سلولی توسط سلول‌های گوناگون استفاده کرد.
منابع
– Binnig, G.; Quate, C. F.; Gerber, C. (1986). “Atomic Force Microscope”. Physical Review Letters. 56: 930–۹۳۳. Bibcode:1986PhRvL..56..930B.
– Binnig, G.; Quate, C. F.; Gerber, Ch. (1986). “Atomic Force Microscope”. Physical Review Letters. 56 (9): 930–۹۳۳.
– Zhong, Q; Inniss, D; Kjoller, K; Elings, V (1993). “Fractured polymer/silica fiber surface studied by tapping mode atomic force microscopy”. Surface Science Letters. 290: L688.
– Gross, L.; Mohn, F.; Moll, N.; Liljeroth, P.; Meyer, G. (27 August 2009). “The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy”. Science. 325 (5944): 1110–۱۱۱۴.
