מיקרוסקופ המייצר סרטוני ווידאו של תהליכים ננומטריים

מהנדסים הצליחו לפתח מיקרוסקופ כוח אטומי הסורק תמונות בקצב הגבוה פי 2000 מהדגמים המסחריים הנמכרים בשוק. בעזרת כלי חדשני זה בעל המהירות הגבוהה, החוקרים הצליחו להפיק תמונות של תהליכים כימיים המתרחשים בקנה מידה ננומטרי במהירות המתקרבת לרמה של ווידאו בזמן אמת.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

מהנדסים הצליחו לפתח מיקרוסקופ כוח אטומי הסורק תמונות בקצב הגבוה פי 2000 מהדגמים המסחריים הנמכרים בשוק. בעזרת כלי חדשני זה בעל המהירות הגבוהה, החוקרים הצליחו להפיק תמונות של תהליכים כימיים המתרחשים בקנה מידה ננומטרי במהירות המתקרבת לרמה של ווידאו בזמן אמת.

מיקרוסקופים מתקדמים מסוג כוח אטומי (AFMs) מיועדים להפקת תמונות של מבנים זעירים בגודל של שברי הננומטר – קטן פי מיליון מעובייה של שיערה אנושית. בשנים האחרונות מיקרוסקופים מסוג זה משמשים לצילום מבנים חד-אטומיים, כגון גדילים בודדים של דנ”א ואפילו קשרי מימן נפרדים בין מולקולות. יחד עם זאת, סריקת תמונות כאלו מהווה פעולה מדוקדקת המצריכה זמן רב. לפיכך, מיקרוסקופים מהסוג הזה משמשים בעיקר לבחינת דגימות נייחות מאחר וקצב הפעילות שלהם קטן מכדי ללכוד סביבות פעילות ומשתנות.

כעת, מהנדסים מהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT) הצליחו לפתח מיקרוסקופ כוח אטומי הסורק תמונות בקצב הגבוה פי 2000 מהדגמים המסחריים הנמכרים בשוק. בעזרת כלי חדשני זה בעל המהירות הגבוהה, החוקרים הצליחו להפיק תמונות של תהליכים כימיים המתרחשים בקנה מידה ננומטרי במהירות המתקרבת לרמה של ווידאו בזמן אמת. באחת מההדגמות של היכולות של מכשיר זה, החוקרים סרקו דגימה בגודל של 70 x 70 מיקרון של סידן פחמתי בעודו מוטבל בתוך מים נטולי-יונים ולאחר מכן בזמן חשיפתו לחומצה גופרתית. החוקרים הצליחו לראות את התגובה שבמהלכה החומצה מאכלת את הסידן הפחמתי תוך הגדלת החרירים הננומטרים שבתוכו בתהליך של “קילוף” התבנית הגבישית של החומר שכבה אחר שכבה, תוך מספר שניות בלבד. החוקר הראשי, פרופסור Kamal Youcef-Toumi, אומר כי הרגישות ומהירות המכשיר יאפשרו למדענים לצפות בתהליכים אטומיים כמו ב”סרטונים” ברזולוציה גבוהה. “החוקרים יוכלו לראות, למשל, תגובות כמו עיבוי, גירעון, התמוססות או שיקוע של חומרים שונים, ואת האופן שבו תגובות אלו מתרחשות בזמן אמת – תהליכים שמעולם לא נראו ברזולוציה כזו”. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב-העת המדעי Ultramicroscopy.

מיקרוסקופ כוח אטומי סורק דגימות בעזרת גלאי זעיר במיוחד, או חוד דמוי מחט, הנע מעט מעל פני השטח של הדגימה, תוך מעקב אחר הטופולוגיה שלה, בדומה לאופן שבו אדם עיוור קורא כתב בריל. הדגימה מונחת על גבי מצע נע, או סורק, המזיז את הדגימה לאורך ומתחת לגלאי. לאור העובדה כי מיקרוסקופ מהסוג הזה כולל בתוכו מבנים זעירים במיוחד, המכשיר חייב לפעול באיטיות, שכבה אחר שכבה, זאת בכדי להימנע מכל תנועה פתאומית העלולה לשנות את הרכב הדגימה או לטשטש את התמונה המתקבלת. “אם הדגימה נייחת, הרי שהתמונה תוכל להתקבל תוך 10 דקות של סריקה איטית”, מסביר החוקר הראשי. אולם אם הדגימה נעה, אזי המנגנון הזה לא מתאים. על מנת להאיץ את תהליך הסריקה, המדענים מנסים לבנות מצעים זעירים וחדים יותר המסוגלים לסרוק את הדגימות ביתר מהירות, למרות שהאזור הנסרק קטן יותר. החוקר מסביר כי למרות שסורקים מהסוג הזה פועלים במהירות, הם אינם מאפשרים לחוקרים לעבור במהירות לצילום מרחוק על מנת לראות תמונה רחבה יותר או לבחון מספר גדול יותר של פרטים בתמונה.

החוקר הגה עיצוב שיאפשר סריקה בו-זמנית במהירות גבוהה הן של שטח זעיר והן של שטח נרחב. החדשנות של המכשיר טמונה בסורק רב-תפעולי ובבקרה עליו: המצע שעליו מונחת הדגימה כולל בתוכו הן סורק זעיר ומהיר והן סורק גדול ואיטי יותר, הפועלים במשולב כמערכת אחת לשם קבלת סריקה תלת-ממדית במהירות גבוהה. ניסיונות קודמים לקבל סורק רב-תפעולי נדונו לכישלונות בשל יחסי הגומלין שבין שני הסורקים: תנועתו של הסורק האחד עלולה לפגום ברמת הדיוק ובתנועה החלקה של הסורק השני. כמו-כן, החוקרים גילו כי היכולת לשלוט בכל אחד מהסורקים בנפרד הינה בעייתית. החוקר הראשי מסביר כי עד היום נדרשו המדענים לבצע כיוונונים והתאמות רבות ברכיבי המכשיר בשביל לבצע סריקה כפולה. בשביל לפשט את השליטה בסורק הכפול, החוקר פיתח אלגוריתמים המתחשבים בהשפעות שיש לכל אחד מהסורקים על השני. “הבקר שלנו מסוגל להזיז את הסורק הזעיר באופן שלא ירטיט את הסורק הגדול יותר, זאת מכיוון שאנו יודעים מראש אילו סוגי תזוזות יגרמו לכך, ולהיפך – כלומר אילו תזוזות בסורק הגדול יגרמו להשפעה על הסורק הזעיר”. “בסופו של דבר, שני הסורקים פועלים בסנכרון ועבור החוקר מדובר בסורק יחיד במהירות גבוהה שאינו מוסיף כל מורכבות לתפעול המכשיר”.

הידיעה על המחקר

תקציר המאמר