I ricercatori hanno scoperto un "punto cieco" nella microscopia a forza atomica, un potente strumento in grado di misurare la forza tra due atomi, imaging della struttura delle singole cellule e del movimento delle biomolecole.

Gli atomi hanno una dimensione di circa un decimo di nanometro, o un milione di volte più piccolo della larghezza di un capello umano.

Il nuovo studio mostra che l'accuratezza delle misurazioni della forza atomica dipende dalle leggi di forza in vigore.

Le leggi sulla forza che risiedono nel "punto cieco" appena scoperto, che sono di natura comune, possono portare a risultati errati. Lo studio descrive anche un nuovo metodo matematico per vedere ed evitare questo punto cieco, salvaguardare le misurazioni della forza atomica da risultati imprecisi.

Professor John Sader, dalla School of Mathematics and Statistics dell'Università di Melbourne e dall'Australian Research Council Centre of Excellence in Exciton Science, ha condotto la ricerca, con il ricercatore dell'Università di Melbourne Barry Hughes e Ferdinand Huber e Franz Giessibl dell'Università di Regensburg in Germania. Il lavoro è pubblicato oggi sulla rivista Nanotecnologia della natura .

"Il microscopio a forza atomica (AFM) fornisce una risoluzione squisita su scala atomica e molecolare. Ha anche la notevole capacità di misurare la forza tra due atomi, "Ha detto il professor Sader.

AFM utilizza un piccolo raggio a sbalzo (la cui lunghezza è la larghezza di un capello umano) per sentire la forma di una superficie e percepire le forze che incontra, più o meno allo stesso modo in cui funziona lo stilo o l'ago di un giradischi, con una punta acuminata all'estremità del cantilever che interagisce con la superficie.

Per consentire misurazioni precise su scala atomica, il cantilever (e la sua punta) viene fatto oscillare "dinamicamente" su e giù alla sua frequenza di risonanza naturale, leggermente lontano dalla superficie. La forza effettiva sperimentata dalla punta viene recuperata da questa frequenza misurata.

I ricercatori possono ora dimostrare che questa misurazione dinamica offusca la forza su scala atomica, rimuovere le informazioni che possono rendere problematico il recupero della forza effettiva, creando un efficace "punto cieco".

"La forza recuperata potrebbe non assomigliare per niente alla vera forza, " Ha detto il professor Sader. "È notevole che questo problema sia completamente assente per alcune leggi della forza atomica, mentre per altri crea un vero problema.

"Le misurazioni della forza dinamica esaminano efficacemente la forza atomica attraverso una lente sfocata. È quindi necessario un algoritmo matematico per convertirla in una forza reale".

Nel 2003, Il professor Sader e un collega del Trinity College di Dublino hanno sviluppato uno di questi algoritmi, chiamato metodo Sader-Jarvis, ampiamente utilizzato per recuperare la forza su scala atomica da questa misurazione di frequenza sfocata.

"Non c'era alcun indizio che questa sfocatura potesse essere un problema da quando la tecnica AFM dinamica è stata inventata nel 1992. Molti ricercatori indipendenti l'hanno esplorata e hanno dimostrato che tutte le leggi di forza standard danno risultati molto robusti, "Ha detto il professor Sader.

"Quindi, l'anno scorso, collaboratori e coautori di questo studio dell'Università di Regensburg hanno visto per la prima volta un'anomalia nelle loro misurazioni e me l'hanno trasmessa. Sono stato sorpreso di vedere questa anomalia e desideroso di identificare la causa".

I ricercatori hanno scoperto che le caratteristiche matematiche delle misurazioni della frequenza avevano effettivamente nascosto questo problema in bella vista.

"Il problema è matematicamente sottile, " Ha detto il professor Sader. "Le leggi di forza che appartengono a qualcosa chiamato spazio di Laplace, che tutti hanno testato, vanno bene. Sono quelli che non fanno parte di questo spazio a causare il problema, e ce ne sono molti in natura".

Guardando i dettagli di questa sottigliezza, Il professor Sader è stato in grado di formulare una nuova teoria e metodo matematico che identifica quando si verifica il problema della sfocatura in una misurazione reale, permettendo al professionista AFM di evitarlo.

"Mi piace pensare alla nostra scoperta come a dare ai praticanti la capacità di vedere una "buca" nella strada davanti a loro, e quindi evitarlo senza danni. In precedenza, questa buca era passata inosservata e i conducenti a volte vi si dirigevano direttamente dentro, "Ha detto il professor Sader.

"Il prossimo passo è cercare di capire come rimuovere completamente questo 'punto cieco' e 'buco'.

"Il nostro lavoro evidenzia anche l'importanza che matematici e sperimentali lavorino insieme per risolvere un importante problema tecnologico. Senza entrambi i set di competenze, questo problema non sarebbe stato identificato e risolto. Era passato inosservato per più di 25 anni".

Il professor Sader ha affermato che questa nuova comprensione potrebbe fornire informazioni sul funzionamento di altre misurazioni di forza AFM dinamiche identificando una caratteristica precedentemente inesplorata.