Pionir AFM Diakhiri dengan Hadiah Kavli di Bidang Ilmu Nano
Setelah 30 tahun dan lebih dari 9.000 kutipan, penemu Mikroskop Gaya Atom (AFM) telah menerima Hadiah Kavli di bidang Ilmu Nano.
Gerd Binnig dan Christoph Gerber pada tahun 1990-an.
Hadiah Kavli dibagi antara Gerd Binnig, Christoph Gerber, dan Calvin Quate. Binnig dan Gerber sebelumnya berbasis di IBM Research – Zurich, sementara Quate berada di Stanford University. Selama cuti sabatikal, Binnig berada di Stanford dan Gerber di IBM Research di San Jose (sekarang Almaden), memfasilitasi kolaborasi erat.
Tiga ilmuwan dihormati “untuk penemuan dan realizasi mikroskopi gaya atom, terobosan dalam teknologi pengukuran dan nanosculpting yang terus memiliki dampak transformatif pada ilmu dan teknologi nano.”
AFM pertama kali dijelaskan dalam edisi 3 Maret 1986 dari Physical Review Letters dengan judul ringkas “Atomic Force Microscope.” Perangkat ini menggabungkan prinsip mikroskopi penggelindingan tunel (STM) dengan profilometer stylus, memungkinkan citra resolusi atom.
Binnig, yang juga menemukan STM bersama yang sudah wafat Heinrich Rohrer, menerima Hadiah Nobel Fisika pada 1986 untuk pekerjaan itu. Ia kemudian mengakui ide AFM kepada wawasan bawah sadar yang pernah ia alami saat berbaring di sofa, sebagaimana dicatat dalam wawancara 2004 di IEEE Spectrum Magazine.
Selama masa di Stanford, Binnig meminta keahlian Calvin Quate dan rekan IBM Christoph Gerber—yang sebelumnya telah bekerja sama pada STM—untuk membawa AFM dari konsep ke kenyataan.
Dalam wawancara terbaru dengan Physics World yang menandai peringatan 30 tahun, Gerber merenung evolusi penemuan:
“Gennig menyarankan bahwa kita mungkin mengukur gaya interaktif antara ujung dan sampel, bukan arus penggelindingan, dan bahwa cantilever dapat melakukannya. Kami melakukan perkiraan kasar dan menyadari bahwa mencapai resolusi atom memerlukan deteksi gaya pada tingkat 10–10 N atau bahkan 10–11 N!”
Kemampuan untuk merasakan gaya yang sangat kecil bergantung pada dua bahan kunci: emas dan berlian. Gerber menjelaskan:
“Jantung perangkat adalah folia emas yang sangat tipis, hanya beberapa mikron tebal, yang digunakan sebagai cantilever. Kami melampirkan pecahan berlian yang dihancurkan—asli dari stylus pemutar piring—ke cantilever untuk berfungsi sebagai ujung.”
Meskipun resolusi atom tidak segera dicapai, tim cukup dekat untuk mengajukan makalah. Dalam waktu satu tahun mereka mengembangkan cantilever silikon yang diproduksi secara massal yang menghasilkan citra resolusi atom pertama pada permukaan grafit.
Setelah tonggak ini, tiga orang tersebut mendorong teknologi AFM ke arah baru, terutama dalam desain dan aplikasi cantilever.
Binnig mempionirkan probe massal paralel untuk nanostrukturisasi, yang bertujuan untuk mengembangkan memori non-volatil. Pekerjaan itu memicu gelombang inovasi dalam teknik nanopola.
Gerber mengembangkan “hidung buatan” menggunakan array cantilever, mencapai terobosan dalam diagnostik kimia, biokimia, dan medis. Ia melanjutkan penelitian ini dengan kelompoknya di Universitas Basel, Swiss.
Quate berfokus pada cantilever mikromekanis untuk aplikasi sensor dalam penemuan obat, diagnostik makanan, karakterisasi bahan, dan deteksi peledak.
Selama tiga dekade terakhir, instrumen AFM telah berkembang secara dramatis, meningkatkan sensitivitas dan resolusi sambil memperluas ke berbagai bidang.
Pada 2008, Markus Ternes dan rekan-rekannya di IBM Research – Almaden menggunakan AFM untuk menggeser atom tunggal di seluruh permukaan dan secara langsung mengukur gaya yang terlibat.
Tahun berikutnya, tim dari IBM Research – Zurich yang dipimpin oleh Gerhard Meyer dan Leo Gross memodifikasi ujung AFM dengan satu molekula karbon monoksida. Ujung diatomik yang kurang dari satu nanometer panjang menghasilkan citra yang menyelesaikan struktur kimia internal molekul individu—ikatan kimia secara real time.
Gross mencatat, “Salah satu pengenal utama dari teknik kami adalah kita mengukur molekul tunggal. Keuntungan lain adalah kita dapat menggunakan ujung untuk memicu reaksi kimia molekul individu dan melacak produknya pada skala atom.”
Meyer, Gross, dan Bruno Schuler baru-baru ini menerbitkan artikel tentang peringatan 30 tahun AFM di Physics World, menyatakan:
“AFM resolusi tinggi menawarkan peluang untuk memahami dan mengontrol proses fisik, kimia, dan biologis pada tingkat molekul individu. Peningkatan berkelanjutan dalam sensitivitas gaya, resolusi temporal, dan spasial akan mendorong batas ilmu nano lebih jauh. Mungkin dalam 30 tahun lagi AFM mungkin berkembang menuju asembler atom, seperti yang dirichard Feynman dalam pidatonya tahun 1959 “There’s Plenty of Room at the Bottom”—sebuah alat yang dapat membangun perangkat 3D yang presisi atom secara arbitrer, metamaterial, dan molekul.”
“Terlepas dari itu, tidak ada keraguan bahwa AFM akan terus mendorong penemuan dari fisika dasar hingga kimia dan ilmu kehidupan, mengungkap mekanisme paling misterius alam pada skala nanometer dan di luarnya.”
Ini adalah Hadiah Kavli kedua yang diberikan kepada ilmuwan IBM. Don Eigler menerima Hadiah Kavli Ilmu Nano 2010 untuk mengembangkan manipulasi atom dan menjelaskan fenomena kuantum dengan susunan atom dan molekula yang terkontrol secara tepat pada permukaan.
Hadiah Kavli menghormati ilmuwan yang mempionirkan kemajuan dalam pemahaman kita tentang eksistensi pada skala terbesar, terkecil, dan paling kompleks. Diwalkan setiap dua tahun dalam astrofisika, ilmu nano, dan neurosains, setiap hadiah membawa hadiah sebesar $1 juta (AS). Penerima dipilih oleh komite yang anggotanya direkomendasikan oleh enam dari masyarakat dan akademi ilmu pengetahuan terkemuka di dunia.
