La microscopia a forza atomica (AFM) è una tecnica estremamente sensibile che ci consente di visualizzare i materiali e/o caratterizzare le loro proprietà fisiche su scala atomica rilevando la forza sopra le superfici dei materiali mediante una punta controllata con precisione. Però, L'AFM convenzionale fornisce solo la componente normale alla superficie della forza (la direzione Z) e ignora le componenti parallele alla superficie (le direzioni X e Y). Per caratterizzare completamente i materiali utilizzati nei dispositivi su scala nanometrica, è necessario ottenere informazioni sui parametri con direzionalità, come elettronico, magnetico, e proprietà elastiche, in più della semplice direzione Z. Questo è, è desiderabile misurare questi parametri anche nelle direzioni X e Y parallelamente alla superficie di un materiale. Misurare la distribuzione di tali parametri materiali su scala atomica aumenterà la nostra comprensione della composizione chimica e delle reazioni, morfologia superficiale, manipolazione molecolare, e funzionamento delle nanomacchine.

Un gruppo di ricerca dell'Università di Osaka ha recentemente sviluppato un approccio basato su AFM chiamato "AFM bimodale" per ottenere informazioni sulle superfici dei materiali nell'X, si, e Z direzioni (cioè, in tre dimensioni) su scala subatomica. I ricercatori hanno misurato la forza totale tra una punta AFM e la superficie del materiale nella X, si, e direzioni Z utilizzando una superficie di germanio (Ge) come substrato. Il loro partner collaborativo, l'Istituto di Fisica dell'Accademia Slovacca delle Scienze, contribuito simulazioni al computer delle interazioni punta-superficie. L'approccio bimodale AFM è stato recentemente riportato in Fisica della natura .

"Una superficie Ge(001) pulita ha dimeri anisotropi allineati alternativamente, ruotati di 90° sul gradino, nel senso che mostrano una struttura a due domini, "Spiega il primo autore Yoshitaka Naitoh. "Abbiamo sondato i campi di forza di ciascun dominio nella direzione verticale facendo oscillare la punta dell'AFM alla frequenza di risonanza flessionale e nella direzione parallela facendola oscillare a quella torsionale".

Il team ha prima espresso le componenti della forza come vettori, fornendo la distribuzione del vettore sopra la superficie su scala subatomica. La simulazione al computer ha supportato i risultati sperimentali e ha fatto luce sulla natura della terminazione e della morfologia della punta chimica e, in particolare, ha aiutato a chiarire le questioni in sospeso riguardanti le distanze punta-superficie nell'esperimento.

"Abbiamo misurato l'entità e la direzione della forza tra la punta dell'AFM e la superficie del Ge su scala subatomica in tre dimensioni, " dice Naitoh. "Tali misurazioni aiuteranno la comprensione della struttura e delle reazioni chimiche delle superfici funzionalizzate".

L'approccio AFM bimodale sviluppato consentirà ai ricercatori di studiare le proprietà fisiche dei materiali in modo più dettagliato su scala nanometrica, che dovrebbe facilitare lo sviluppo di dispositivi, nanotecnologia, e sistemi di frizione/lubrificazione.