מדענים מחברת יבמ הצליחו לקבל תמונה “אנטומית” – או מבנה כימי מדויק – של פנים פרודה, תמונה בעלת כושר-הפרדה חסר-תקדים, באמצעות השימוש בשיטה מורכבת המכונה “מיקרוסקופית כוח-אטומי אל-מגע”.
מדענים מחברת יבמ הצליחו לקבל תמונה “אנטומית” – או מבנה כימי מדויק – של פנים פרודה, תמונה בעלת כושר-הפרדה חסר-תקדים, באמצעות השימוש בשיטה מורכבת המכונה “מיקרוסקופית כוח-אטומי אל-מגע”.
הממצאים יוכלו להאיץ את המחקר בתחום השימוש בפרודות ואטומים בקנה-המידה הקטן ביותר ולהשפיע באופן משמעותי על תחום הננוטכנולוגיה, התר אחר הבנה ובקרה על הרכיבים הזעירים ביותר הידועים לאדם.
“למרות שההשוואה אינה זהה, אם אתה מדמיין כיצד רופא משתמש בקרני-רנטגן בכדי לדמות עצמות ואיברים בתוככי גוף האדם, כך אנו משתמשים במיקרוסקופ כוח אטומי בכדי לדמות מבנים אטומיים שהינם שלדת הפרודות הפרטניות,” מסביר החוקר Gerhard Meyer.
“שיטות מיפוי וסריקה בעזרת גלאים מציעות יכולת כבירה עבור הכנת אבות-טיפוס למבנים תפקודיים מורכבים ועבור תכנון ובחינת מאפייניהם האלקטרוניים והכימיים ברמה האטומית.”
המאמר הנוכחי של צוות המחקר בא בעקבות ניסוי אחר שפורסם רק לפני חודשיים בכתב-העת היוקרתי Science, שבו המדענים מחברת IBM מדדו את מצבי המטען של אטומים באמצעות מיקרוסקופ מסוג AFM. פריצות-דרך אלו יולידו אפשרויות חדישות עבור בחינת הדרכים בהן מטען חשמלי עובר דרך פרודות או רשתות שלהן. ידיעת התפלגות המטען ברמה האטומית הינה חיונית עבור ההכנה של רכיבי-מחשוב זעירים, מהירים ויעילים יותר מאלו הקיימים היום במעבדים ובהתקני הזיכרון השונים.
במחקר החדש, שפורסם בכתב-העת המדעי Science בעשרים ושמונה באוגוסט השנה, חוקרי IBM השתמשו במיקרוסקופ AFM הפועל בריק גבוה ביותר (לחצים נמוכים מאוד) ובטמפרטורות נמוכות מאוד (מינוס מאתיים שישים ושמונה מעלות צלסיוס) לשם דימות המבנה הכימי של פרודות פנטאצן (pentacene, הערך בוויקיפדיה) פרטניות. המדענים הצליחו, לראשונה אי-פעם, “להביט” ב”ענן האלקטרונים” ולראות את השלד האטומי של פרודה יחידה. למרות ההבדלים הקיימים, השיטה מזכירה קרני-רנטגן העוברות דרך רקמות רכות ומאפשרות תמונה ברורה של העצמות.
מיקרוסקופ ה- AFM משתמש בחוד מתכתי מחודד ביותר בכדי למדוד כוחות זעירים בינו ובין דוגמת החומר לקבלת תמונה אטומית. הפרודה שנבחנה בניסויים הנוכחיים הייתה פנטאצן – פרודה אורגנית מוארכת המורכבת מעשרים ושניים אטומי פחמן וארבעה-עשר אטומי מימן שרוחבה 1.4 ננומטרים. המרווח שבין אטומי פחמן שכנים הינו 0.14 ננומטרים בלבד. בתמונה המתקבלת ניתן לראות בברור את התבנית המשושה של הטבעות הפחמניות הפנימיות המרכיבות את הפרודה. מהתמונה ניתן להסיק אפילו את מיקומם המדויק של המימנים השונים.
“המפתח להשגת כושר-הפרדה אטומי שכזה היה שפיץ חוד מוגדר ומחודד מבחינה אטומית וכן היציבות הגדולה של המערכת הנבחרת,” מסביר אחד מהחוקרים. בכדי לקבל תמונה של המבנה הכימי של הפרודה בעזרת מיקרוסקופ AFM, יש צורך לפעול בקרבה מרבית לפרודה עצמה. הטווח שבו יחסי-הגומלין הכימיים מולידים השפעות משמעותיות עבור הכוחות החשמליים הינו פחות מננומטר אחד. לשם השגת יעד זה, החוקרים נדרשו להגביר את הרגישות של חוד המיקרוסקופ ולהתגבר על מגבלה משמעותית: בדומה למצב בו שני מגנטים ידחו או יימשכו בהתקרבם אחד לעבר השני, הפרודות יכולות בקלות להידחות או להימשך לחוד כאשר הוא מגיע קרוב מידי אליהן – תוך מניעת כל המשך מדידה.
החוקר מוסיף, “הצלחנו להכין חוד ייחודי המסוגל “להגיב” עם אטומים או עם פרודות יחידות ולקבל בזכות כך כושר-הפרדה גבוה ביותר.” חוד שקצהו צופה בחומר פחמן חד-חמצני(CO) הוליד את כושר ההפרדה המיטבי כאשר הוא מרוחק כחצי ננומטר בלבד מהפרודה הנבחנת – ובשמשו כעין זכוכית מגדלת עוצמתית – הראה את האטומים הפרטניים שבפרודת הפנטאצן תוך כדי חשיפת מבנהו האטומי המדויק.
בנוסף, המדענים הצליחו להפיק מפת כוחות תלת-מימדית מלאה של הפרודה שנבחנה. “בכדי להשיג זאת נדרש מהמיקרוסקופ להיות יציב ביותר, הן מהבחינה המכאנית והן מהבחינה התרמית, בכדי להבטיח שגם החוד וגם הפרודות נותרו ללא-שינויי במהלך איסוף המידע שנמשך כעשרים שעות,” מציין אחד מהחוקרים. מחקר תיאורטי נוסף הוליד גם הסברים מעמיקים יותר לגביי יעילות הפעולה של המיקרוסקופ במקרה המסוים הזה.
מדענים שואפים, עוד משחר ימי-המדע, “לראות” ו”להזיז” אטומים ופרודות בודדים בכדי להרחיב את הידע האנושי ולקדם את חזיתות המחקר וההכנה של רכיבים ננומטריים. חברת IBM מהווה חלוצה בננו-מדע ובננוטכנולוגיה מאז הפיתוח של מיקרוסקופ מנהור סורק(STM) בשנת 1981 במעבדותיה אשר בציריך. עבור המצאתם זו, שאפשרה לראשונה לדמות אטומים בודדים, קיבלו שני המפתחים את פרס הנובל בפיסיקה לשנת 1986. מיקרוסקופ ה- AFM, שהינו המשכו הישיר של מיקרוסקופ ה- STM, הומצא ע”י אותם המדענים בשנת 1986.
תגובה אחת
סוף כל סוף 🙂
יפה מאוד