Pionir AFM diakui dengan Kavli Prize

30 tahun dan 9.000 kutipan kemudian, penemu Atomic Force Microscope (AFM) hari ini diakui dengan Kavli Prize in Nanoscience.

Gerd Binnig dan Christoph Gerber pada 1990-an.

Hadiah dibagi antara Gerd Binnig, Christoph Gerber dan Calvin Quate. Binnig dan Gerber sebelumnya bekerja di IBM Research – Zurich dan mereka berkolaborasi dengan Quate dari Stanford University, saat cuti panjang (Binnig di Stanford, Gerber di IBM Research di San Jose, sekarang Almaden).

Tiga ilmuwan menerima hadiah “untuk penemuan dan realisasi mikroskop gaya atom, terobosan dalam teknologi pengukuran dan pemahatan nano yang terus memberikan dampak transformatif pada ilmu nano dan teknologi .”

AFM pertama kali diterbitkan pada 3 Maret 1986 di jurnal peer-review Physical Review Letters dengan judul sederhana “Atomic Force Microscope.” Invensi ini menggabungkan prinsip pemindaian tunneling microscopy (STM) dan profilometer stylus untuk mendeteksi resolusi atom. Binnig bersama-sama menciptakan STM beberapa tahun sebelumnya dengan mendiang Heinrich Rohrer dan mereka berdua menerima Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 1986.

Binnig, yang hanya terdaftar pada paten pertama, dikutip di IEEE Spectrum Magazine pada tahun 2004 mengatakan bahwa ide untuk AFM datang kepadanya secara tidak sadar ketika dia sedang berbaring di sofa. Saat di Stanford ia melibatkan Calvin Quate dan rekan IBM-nya Christoph Gerber, yang telah berkolaborasi dengannya untuk pengembangan STM, dan bersama-sama mereka mewujudkan AFM.

Gerber, yang baru-baru ini diwawancarai di majalah Physics World tentang peringatan 30 tahun AFM, mengomentari evolusi penemuan ini:

“Gerd menyarankan bahwa mungkin saja mengukur gaya interaktif, daripada arus, antara ujung dan sampel, dan mungkin kita bisa melakukannya dengan kantilever. Kami melakukan perhitungan kasar dan menyadari bahwa untuk mendapatkan resolusi atom, kami harus mampu mendeteksi gaya pada level 10 ^–10   T atau bahkan 10 ^–11  T! ”

Rahasia untuk mengukur kekuatan atom kecil disampaikan oleh dua elemen berharga:emas dan berlian. Komentar Gerber di Dunia Fisika:

“Inti dari perangkat ini adalah foil emas yang sangat tipis dengan ketebalan hanya beberapa mikron yang digunakan sebagai kantilever. Kami mengambil pecahan dari berlian yang dihancurkan yang diperoleh dari stylus pemutar rekaman dan menempelkannya ke kantilever untuk dijadikan tip.”

“Kami tidak langsung mendapatkan resolusi atom tetapi kami cukup dekat untuk mengirimkan makalah jurnal. Dalam setahun kami memiliki instrumen yang lebih canggih berdasarkan kantilever silikon fabrikasi batch yang menunjukkan resolusi atom untuk pertama kalinya pada permukaan grafit.”

Setelah pekerjaan mani mereka, ketiganya mendorong teknologi AFM ke beberapa arah baru, khususnya sehubungan dengan desain dan aplikasi kantilever.

Binnig mengadaptasi desain kantilever untuk membuat probe paralel besar-besaran untuk pembuatan nano, yang ditujukan untuk pengembangan memori non-volatil. Karya ini menghasilkan sejumlah inovasi, termasuk teknik pola nano.

Di IBM, Gerber mengembangkan "hidung buatan" menggunakan susunan kantilever, yang telah terbukti berhasil di bidang reaksi kimia dan biokimia serta dalam aplikasi medis. Dia melanjutkan penelitian ini hari ini di kelompok penelitiannya di Basel, Swiss.

Quate berfokus pada kantilever mikromekanis untuk aplikasi penginderaan untuk penemuan obat, diagnostik makanan, karakterisasi material, dan deteksi bahan peledak.

Dalam 30 tahun terakhir, instrumen AFM telah mengalami perkembangan yang luar biasa sehubungan dengan sensitivitas, resolusi, dan aplikasi yang menyebar ke berbagai bidang.

Misalnya, pada tahun 2008 Markus Ternes dan rekan kerja di IBM Research – Almaden menggunakan skema deteksi ini untuk menggeser atom tunggal melintasi permukaan menggunakan AFM dan juga untuk mengukur gaya yang terlibat secara langsung.

Setahun kemudian tim ilmuwan IBM di Zurich, dipimpin oleh Gerhard Meyer dan Leo Gross, memodifikasi ujung AFM mereka dengan satu molekul karbon monoksida. Molekul diatomik ini, yang panjangnya kurang dari satu nanometer, menghasilkan gambar dengan resolusi tinggi sehingga struktur kimia internal dari satu molekul dapat diselesaikan (ikatan kimia).

Komentar kasar, “Salah satu pembeda utama teknik kami, sehubungan dengan teknik mapan lainnya, adalah kami mengukur molekul tunggal. Keuntungan lainnya adalah kita dapat menggunakan ujungnya untuk memulai reaksi kimia molekul individu dan kita dapat mengikuti reaksi dan mempelajari produknya pada skala atom.”

Meyer dan Gross bersama rekan mereka Bruno Schuler baru-baru ini menerbitkan sebuah artikel pada peringatan 30 tahun AFM di Dunia Fisika:

“Yang penting, AFM resolusi tinggi menawarkan peluang untuk memahami dan mengontrol proses fisik, kimia, dan biologis pada tingkat molekul individu. Perbaikan berkelanjutan dalam sensitivitas kekuatan ditambah resolusi temporal dan spasial akan mendorong batas dalam nanosains lebih jauh. Mungkin dalam 30 tahun lagi AFM dapat ditingkatkan lebih lanjut menuju perakit atom seperti yang disampaikan oleh Richard Feynman dalam ceramahnya yang terkenal pada tahun 1959 “Ada banyak ruang di bagian bawah”:alat yang dapat membangun perangkat, metamaterial, dan molekul 3D yang sewenang-wenang dan tepat secara atom. .”

“Bagaimanapun, tidak ada keraguan bahwa AFM akan terus mempromosikan penemuan-penemuan dari fisika dasar hingga kimia dan ilmu kehidupan, mengungkap mekanisme paling misterius di alam pada skala nanometer dan seterusnya.”

Ini adalah kedua kalinya ilmuwan IBM dianugerahi Kavli Prize. Don Eigler memenangkan Penghargaan Kavli 2010 dalam Nanoscience untuk pengembangan manipulasi atom dan untuk penjelasan fenomena kuantum dengan pengaturan atom dan molekul yang dikontrol secara tepat pada permukaan.

Kavli Prizes memberi penghargaan kepada para ilmuwan karena mempelopori kemajuan dalam pemahaman kita tentang keberadaan pada skala terbesar, terkecil, dan paling kompleks. Dipersembahkan setiap dua tahun di bidang astrofisika, nanosains, dan ilmu saraf, masing-masing dari tiga hadiah internasional terdiri dari $1 juta (AS). Para pemenang dipilih oleh komite yang anggotanya direkomendasikan oleh enam lembaga dan akademi sains paling terkenal di dunia.