I ricercatori dell'Università del Texas a Dallas hanno creato un microscopio a forza atomica su un chip, riducendo drasticamente le dimensioni e, auspicabilmente, il cartellino del prezzo, di un dispositivo ad alta tecnologia comunemente usato per caratterizzare le proprietà dei materiali.

"Un microscopio a forza atomica standard è un grande, strumento ingombrante, con più circuiti di controllo, elettronica e amplificatori, " ha detto il dottor Reza Moheimani, professore di ingegneria meccanica all'UT Dallas. "Siamo riusciti a miniaturizzare tutti i componenti elettromeccanici su un singolo piccolo chip".

Moheimani e i suoi colleghi descrivono il loro dispositivo prototipo nel numero di questo mese del IEEE Journal of Microelectromechanical Systems .

Un microscopio a forza atomica (AFM) è uno strumento scientifico che viene utilizzato per creare immagini tridimensionali dettagliate delle superfici dei materiali, fino alla scala nanometrica, più o meno sulla scala delle singole molecole.

Il design di base dell'AFM consiste in un minuscolo cantilever, o braccio, che ha una punta affilata attaccata a un'estremità. Mentre l'apparecchio esegue la scansione avanti e indietro sulla superficie di un campione, o il campione si muove sotto di esso, le forze interattive tra il campione e la punta fanno sì che il cantilever si muova su e giù mentre la punta segue i contorni della superficie. Questi movimenti vengono poi tradotti in un'immagine.

"Un AFM è un microscopio che 'vede' una superficie come potrebbe una persona ipovedente, toccando. Puoi ottenere una risoluzione che va ben oltre quella che può raggiungere un microscopio ottico, " disse Moheimani, che detiene la James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "Può catturare caratteristiche che sono molto, molto piccolo."

Il team di UT Dallas ha creato il suo prototipo AFM su chip utilizzando un approccio di sistemi microelettromeccanici (MEMS).

"Un classico esempio di tecnologia MEMS sono gli accelerometri e i giroscopi presenti negli smartphone, " ha detto il dottor Anthony Fowler, un ricercatore nel Laboratorio di Moheimani per la dinamica e il controllo dei nanosistemi e uno dei coautori dell'articolo. "Questi erano grandi, caro, dispositivi meccanici, ma utilizzando la tecnologia MEMS, gli accelerometri si sono ridotti a un singolo chip, che può essere prodotto per pochi dollari l'uno."

L'AFM basato su MEMS ha una dimensione di circa 1 centimetro quadrato, o un po' più piccolo di un centesimo. È collegato a un piccolo circuito stampato, grande circa la metà di una carta di credito, che contiene circuiti, sensori e altri componenti miniaturizzati che controllano il movimento e altri aspetti del dispositivo.

Gli AFM convenzionali operano in varie modalità. Alcuni mappano le caratteristiche di un campione mantenendo una forza costante mentre la punta della sonda si trascina sulla superficie, mentre altri lo fanno mantenendo una distanza costante tra i due. "Il problema con l'utilizzo di un approccio ad altezza costante è che la punta applica continuamente forze variabili su un campione, che può danneggiare un campione molto morbido, " Disse Fowler. "Oppure, se stai scansionando una superficie molto dura, potresti consumare la punta, "

L'AFM basato su MEMS opera in "modalità intercettazione, " il che significa che il cantilever e la punta oscillano su e giù perpendicolarmente al campione, e la punta tocca alternativamente quindi si solleva dalla superficie. Mentre la sonda si muove avanti e indietro attraverso un materiale campione, un circuito di feedback mantiene l'altezza di tale oscillazione, infine creando un'immagine.

"In modalità di tocco, mentre il cantilever oscillante si muove attraverso la topografia superficiale, l'ampiezza dell'oscillazione vuole cambiare mentre interagisce con il campione, " ha detto il dottor Mohammad Maroufi, un ricercatore associato in ingegneria meccanica e co-autore del documento. "Questo dispositivo crea un'immagine mantenendo l'ampiezza dell'oscillazione".

Poiché gli AFM convenzionali richiedono laser e altri componenti di grandi dimensioni per funzionare, il loro uso può essere limitato. Sono anche costosi.

"Una versione educativa può costare circa $ 30, 000 o $ 40, 000, e un AFM a livello di laboratorio può gestire $ 500, 000 o più, " ha detto Moheimani. "Il nostro approccio MEMS alla progettazione AFM ha il potenziale per ridurre significativamente la complessità e il costo dello strumento.

"Uno degli aspetti interessanti dei MEMS è che puoi produrli in serie, costruendone centinaia o migliaia in un colpo solo, quindi il prezzo di ogni chip sarebbe solo di pochi dollari. Di conseguenza, potresti essere in grado di offrire l'intero sistema AFM in miniatura per poche migliaia di dollari."

Una dimensione e un prezzo ridotti potrebbero anche espandere l'utilità degli AFM oltre le attuali applicazioni scientifiche.

"Per esempio, l'industria dei semiconduttori potrebbe trarre vantaggio da questi piccoli dispositivi, in particolare le aziende che producono i wafer di silicio da cui sono realizzati i chip per computer, " ha detto Moheimani. "Con la nostra tecnologia, potresti avere una serie di AFM per caratterizzare la superficie del wafer per trovare micro-difetti prima che il prodotto venga spedito." Il prototipo di laboratorio è un dispositivo di prima generazione, Moheimani ha detto, e il gruppo sta già lavorando su come migliorare e semplificare la fabbricazione del dispositivo.

"Questa è una di quelle tecnologie in cui, come dicono, 'Se lo costruisci, arriveranno.' Prevediamo di trovare molte applicazioni man mano che la tecnologia matura, " ha detto Moheimani.