La microscopia a forza atomica (AFM) ha portato la risoluzione di imaging su scala atomica della microscopia a effetto tunnel, una tecnica che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica, alle superfici non conduttrici. Però, rimangono dei limiti quando si cerca di utilizzare la tecnica nella sua forma più sensibile con campioni fotosensibili nei liquidi. Ora i ricercatori della Kanazawa University mostrano come superare questi vincoli, guidando un cantilever di pochi micrometri a frequenze megahertz con stabilità e controllo nel liquido e senza potenzialmente esporre il campione alla luce.

I microscopi a forza atomica monitorano le forze in gioco tra una superficie e una punta fissata a un cantilever per estrarre informazioni sulla topografia e sulla composizione della superficie. Oscillando il cantilever sulla superficie invece di trascinarlo, la forza delle interazioni con il cantilever e la punta può essere dedotta dai cambiamenti nell'ampiezza dell'oscillazione o nella frequenza di risonanza senza danneggiare la superficie.

Di solito un attuatore piezo genera un'onda acustica che fa oscillare il cantilever alla sua frequenza di risonanza. Però, questo approccio è soggetto a contributi spuri alla risonanza dai componenti del dispositivo che collega l'attuatore al cantilever. L'impatto di questi effetti è maggiore per i cantilever più sensibili, che sono piccole e hanno alte frequenze di risonanza megahertz. Le alternative sono fototermiche, eccitazione a sbalzo elettrostatica o elettrostrittiva, ma se il materiale in esame è fotosensibile o conservato in un liquido elettrochimicamente attivo, anche questi hanno degli svantaggi. Invece Takeshi Fukuma e colleghi dell'Università di Kanazawa hanno seguito un approccio di eccitazione magnetica.

I ricercatori hanno studiato come implementare il loro approccio con tre tipi di cantilever, che hanno personalizzato aggiungendo una perlina magnetica decorata con una punta in nanoscala di carbonio. Hanno quindi applicato un campo magnetico alternato alimentando una corrente alternata in un minuscolo solenoide costituito da un filo di 0,2 mm di diametro avvolto attorno a un cilindro di 3 mm di diametro.

Sebbene altri gruppi abbiano precedentemente dimostrato AFM dinamico guidato da eccitazione magnetica, l'approccio incontra ancora una volta problemi per i piccoli cantilever. L'anello di retroazione per gestire la latenza del circuito e compensare l'impedenza dipendente dalla frequenza in modo che il dispositivo copra un'ampia larghezza di banda di frequenza non funziona così bene alle alte frequenze. Invece i ricercatori hanno progettato un circuito differenziale ad anello aperto che alimenta una complessa tensione della bobina proporzionale alla frequenza e alla tensione di ingresso.

Per dimostrare l'applicabilità del loro approccio, hanno misurato le curve di risonanza del cantilever e la topografia su scala atomica di una superficie di mica in una soluzione salina tamponata con fosfato con vari cantilever personalizzati, compresi quelli con una frequenza di risonanza dell'ordine dei megahertz.

Microscopia a forza atomica

La prima immagine che utilizza AFM è stata riportata da Gerd Binnig, Calvin Quate e Christoph Gerber nel 1986, cinque anni dopo il microscopio a effetto tunnel. La tecnica è capace di risoluzione su scala atomica e genera immagini misurando la forza somma di un numero di forze in gioco tra punta e campione, compreso van der Waals ed elettrostatico.

AFM utilizza un cantilever con una piccola punta attaccata all'estremità. Per l'AFM statico la punta viene trascinata sulla superficie e viene misurata la deflessione del cantilever o, l'altezza del cantilever è regolata per mantenere una deflessione costante. In AFM dinamico, dove il cantilever oscilla alla sua frequenza di risonanza e tocca la superficie con la punta, il contatto tra la punta e la superficie sta causando meno danni al campione. È in grado di eseguire immagini ad alta sensibilità senza entrare in contatto con la superficie in modalità senza contatto, monitorando l'impatto delle interazioni con la superficie sull'ampiezza e sulla frequenza delle oscillazioni del cantilever.

Oltre all'eccitazione del cantilever piezo-attuato e fototermico, è possibile utilizzare interazioni elettrostatiche ed elettrostrittive applicando una tensione di polarizzazione tra punta e superficie o entrambi i lati di un cantilever. Però, in molti dei liquidi utilizzati per alloggiare i campioni, questo può causare reazioni chimiche incontrollate.

Anello chiuso contro anello aperto con circuiti di differenziazione

Quando si utilizzano campi magnetici per eccitare le oscillazioni nel cantilever, il circuito che fornisce corrente alla bobina del solenoide deve mantenere un'ampiezza di corrente costante. Però, l'impedenza del circuito aumenta con la frequenza, in modo che sia necessario un segnale di tensione più elevato per mantenere un'ampiezza di corrente costante. Questo di solito si ottiene con un ciclo di feedback, che converte la corrente della bobina in una tensione e la confronta con la tensione di ingresso. Però, questo ciclo di feedback diventa instabile alle frequenze megahertz.

Nel circuito ad anello aperto utilizzato invece, la tensione di ingresso viene immessa in un circuito di differenziazione che restituisce una complessa tensione della bobina che è proporzionale alla tensione di ingresso e alla frequenza ( V _bobina =io V _in , dove V _bobina è la tensione della bobina, V _in è la tensione di ingresso e ? è la frequenza.) In questo modo la tensione della bobina scala automaticamente con la frequenza, compensare le variazioni di impedenza dipendenti dalla frequenza.