اصول فنی تجهیزات آزمایشگاهی (۴)

AFM

اصول فنی تجهیزات آزمایشگاهی

قسمت چهارم

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

مهندس احسان درخشان‌نیا

derakhshannia@hotmail.com

 

 

در سال ۱۶۵۵ رابرت هوک (Robert Hooke) که یک فیزیکدان انگلیسی بود، اولین نگرش میکروسکوپی را انجام داد، اما حدود ۲۰ سال بعد و در سال ۱۶۷۴ آنتونی لیوونهوک (Anthony Leeuwenhoek) که یک پارچه‌فروش هلندی بود، برای اولین بار توانست به کمک میکروسکوپ دست‌ساز خود، تک‌سلول‌های زنده را ببیند. در سال ۱۶۸۳ هوک با تکمیل میکروسکوپی که ساخته بود، توانست دنیای باکتری‌ها را نیز کشف کند. ساختار میکروسکوپ‌ها به‌آهستگی دست‌خوش دگرگونی‌هایی شد و قدرت تفکیک آنها بهتر گردید؛ اما ذات انسان از محدودیت بیزار است. میکروسکوپ‌های معمولی قدرت بزرگنمایی تا حدود ۱۵۰۰ برابر دارند؛ اما اگر می‌توانستیم دنیای ریزتر از این را هم ببینیم چقدر بهتر بود. این رؤیا در سال ۱۹۳۲ با ساخت اولین میکروسکوپ الکترونی به واقعیت پیوست. میکروسکوپ‌ها خود به چند دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از:

 

  • میکروسکوپ نوری

معمولاً اجسام و موجوداتی با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده‌اند که ضخامت و تراکم نداشته باشند تا نور به‌راحتی از آنها عبور کند، زیرا اساس تشکیل تصویر در میکروسکوپ نوری عبور نور و یا انتقال نور از جسم مورد مطالعه است و به علت تفاوت در میزان جذب نور از بخش‌های مختلف جسم، شکل و ساختمان آن را می‌توان در زیر میکروسکوپ تشخیص داد.

 

  • میکروسکوپ الکترونی

قدرت جداسازی میکروسکوپ الکترونی از میکروسکوپ نوری بهتر است؛ به این معنی که با میکروسکوپ الکترونی اجزای کوچک‌تری را می‌توان دید. حد تفکیک‌پذیری به طول‌موج نوری که به نمونه می‌تابد بستگی دارد؛ در حقیقت بین این دو، رابطه مستقیمی وجود دارد؛ یعنی هرچقدر طول‌موج تابشی کوچک‌تر باشد، تفکیک‌پذیری نیز کوچک‌تر و قدرت جداسازی بیشتر است.

در قرن بیستم میلادی با طرح نظریه موج مادی توسط دوبروی (De Broglie)، تحول شگرفی در طراحی میکروسکوپ‌ها بوجود آمد. با استفاده از نظریه دوبروی در سال ۱۹۲۴ که اذعان نمود جریان الکترون نیز مثل نور، خواص ذره‌ای موجی دارد، اولین بار طرح میکروسکوپ الکترونی در سال ۱۹۳۱ توسط Knoll و Ruska ارائه شد. در سال ۱۹۴۵، Ruska طرح خود را توسعه داد و میکروسکوپ الکترونی با قدرت تفکیک ۱۰۰ آنگستروم را ساخت. قدرت تفکیک یک میکروسکوپ در عمل نمایانگر کوچک‌ترین جسم قابل رؤیت با آن میکروسکوپ است. هرچه قدرت تفکیک بیشتر باشد، اجسام کوچک‌تری را با آن میکروسکوپ می‌توان دید، وقتی برای اولین بار میکروسکوپ‌های الکترونی ساخته شد، در این نوع میکروسکوپ‌ها برخلاف میکروسکوپ‌های نوری که عامل تحریک، فوتون بود از ذرات مادی مثل الکترون به‌عنوان عامل تحریک، استفاده شد. این امر سبب شد تا بزرگنمایی روش آنالیز میکروسکوپی افزایش یابد. انواع میکروسکوپ الکترونی عبارتند از میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmition Electron Microscope).

 

  • میکروسکوپ‌های سوزنی روبشی (پروبی روبشی)

(Scanning Probe Microscope)

در میکروسکوپ‌های سوزنی روبشی یک سوزن با سطح خیلی کوچکی از نمونه برهمکنش دارد و تصویر نمونه با حرکت مکانیکی سوزن روی آن بدست می‌آید. نمونه مورد آزمایش به‌صورت خط به خط روبش می‌شود و برهمکنش سوزن با نمونه به‌عنوان عملگر موقعیت ثبت می‌گردد. چندین نوع برهمکنش وجود داردکه برای بدست آوردن تصویر استفاده می‌شود، و بر اساس نوع برهمکنش، میکروسکوپ سوزنی روبشی را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد که عبارتند از میکروســـــــکوپ نیـــــروی اتمی (Atomic Force Microscope) و میکروسکوپ تونــــــــــــــــــــــــلی روبشی (Scanning Tunelling Microscope). در ادامه به بررسی میکروسکوپ نیروی اتمی می‌پردازیم.

 

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

میکروسکوپ نیروی اتمی از گروه میکروسکوپ‌های پروبی روبشی SPM است که از جمله تکنیک‌هایی است که سطح ماده را با قدرت تفکیکی در مقیاس نانو و حتی کمتر از آن یعنی آنگستروم روبش و تصاویر توپوگرافی سطح ماده را تهیه می‌کند. نقطه شروع میکروسکوپ پروبی روبشی در سال ۱۹۸۲ توسط بنیگ و روهرر- Binnig and Rohrer بود که جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۸۶ برای این اختراع به آنان اختصاص یافت. در این روش سطح نمونه توسط یک سوزن روبش می‌شود و سپس با اندازه‌گیری و پردازش سیگنال به‌دست‌آمده از نقاط مختلف سطح روبش شده، تصویر آن سطح تهیه می‌گردد.

مطابق شکل ۱ در میکروسکوپ نیروی اتمی یک سوزن بسیار تیز و ظریف در حدود ۲ میکرون و غالباً با قطر نوک کمتر از ۱۰ نانومتر در انتهای یک میکروتیر- Microcantilever به طول ۱۰۰ تا ۴۵۰ میکرومتر قرار گرفته است. ثابت فنر این پایه کمتر از ثابت فنری است که اتم‌های نمونه را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. این سوزن سطح نمونه را در فاصله‌ا‌‌‌‌‌‌‌‌‌ی بسیار نزدیک (در حد آنگستروم) روبش می‌کند. در این هنگام بین سوزن و نمونه نیروهایی از جمله نیروی واندروالس و نیروی مویینگی وجود دارد که موجب می‌شوند سوزن مطابق توپوگرافی سطح شروع به نوسان کند؛ بنابراین برای بدست آوردن تصاویری دقیق از سطح نمونه، نیاز به پاسخ ارتعاشی دقیق‌تری از تیر میکروسکوپ است. نیروهای موجود بین نوک این سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن میکروتیر می‌گردد که اندازه‌گیری این انحراف اساس روش تصویربرداری در این وسیله است.

از جمله نیروهای موجود بین نوک سوزن و سطح نمونه نیروی بین اتمی یا واندروالس است که مقدار این نیرو تابع فاصله بین اتم، نوک سوزن و سطح است. همان‌طور که در شکل ۲ مشاهده می‌شود، این نیرو تا قسمتی به‌صورت جاذبه و قسمتی دیگر به‌صورت دافعه است.

AFM

AFM

شکل ۱. شماتیک دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی

AFM

شکل ۲. نمودار فاصله- نیرو مربوط به نیروی واندروالس

 

بسته به اینکه سوزن میکروسکوپ در چه فاصله‌ای کار می‌کند مودهای این وسیله به سه دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند:

  1. تماسی (Contact mode) – تقریباً نزدیک‌تر از ۵ آنگستروم-
  2. شبه‌تماسی (Semi-contact mode) – بین ۴ تا ۳۰ آنگستروم-
  3. غیرتماسی (Non-contact mode) – بیش از ۳۰ آنگستروم-

 

اجزای میکروسکوپ نیروی اتمی

مطابق شکل ۱ اجزای اصلی میکروسکوپ نیروی اتمی شامل میکروتیر، سوزن متصل به میکروتیر، آشکارساز و روبشگر پیزوالکتریک هستند که در ادامه معرفی می‌شوند.

 

  • میکروتیر

در میکروسکوپ نیروی اتمی برای تعیین نیروی بین سوزن و سطح نمونه از یک میکروتیر به‌عنوان حسگر نیرو استفاده می‌شود. غالباً میکروتیرهای مورد استفاده در این وسیله به‌صورت‌های V- شکل و مستطیلی هستند (شکل ۳ و ۴). با توجه به اینکه از میکروتیر برای محاسبه‌ی نیرو استفاده می‌شود، محاسبه ثابت فنریت این میکروتیرها بسیار مهم است.

AFM

شکل ۳. (a): میکروتیر مستطیلی و (b): V-shaped

AFM

شکل ۴. تصویری از میکروتیر V– شکل

 

  • سوزن

مطابق شکل ۵ بسته به مود مورد استفاده در این وسیله و خاصیت مورد اندازه‌گیری، از سوزن‌های مختلفی استفاده می‌شود. مطابق شکل ۵- الف از سوزن‌های با نوک تخت برای بررسی اصطکاک نواحی مختلف سطح استفاده می‌شود، چرا که آنچه در عمل به‌صورت اصطکاک نمایان می‌شود رفتار جمعی مجموعه‌ای از اتم‌های سطح است. سوزن‌های کروی مطابق با شکل ۵- ب به دلیل سطح تماس بسیار بزرگی که با سطح نمونه مورد بررسی دارند، نیروی وارد بر واحد سطح بسیار ناچیزی به سطح وارد می‌کنند، درنتیجه نمونه‌های بسیار نرم و حساس با این روش قابل بررسی است. درعین‌حال به دلیل برهمکنش مؤثر ناحیه وسیعی از سطح با نقاط متعددی از این سوزن‌ها، درجه تفکیک تصویر نهایی افت می‌کند؛ بنابراین وقتی درجه تفکیک خیلی بالا ضروری نیست، این سوزن‌ها وسیله ایده‌آلی برای تهیه تصویر از سطوح نرم و حساس هستند.

سوزن‌های T- شکل طبق شکل ۵- ج برای نقشه‌برداری و آشکارسازی فرورفتگی‌های موجود در بخش‌های دیواره استفاده می‌شوند. زمانی که فرایند اندازه‌گیری، مستلزم وارد کردن نیروهای فوق‌العاده زیاد از جانب سوزن به سطح باشد، مطابق شکل ۵- د از سوزن‌های الماسی استفاده می‌شود. پارامترهای هندسی سوزن که نوع کارایی سوزن و میزان دقت نتایج بدست‌آمده را تعیین می‌کنند عبارتند از: شکل، بلندی، نازکی و تیزی

AFM

شکل ۵. انواع مختلف سوزن میکروتیر

  • آشکارساز

مطابق شکل ۶ تعیین جهت‌گیری تیرک (میزان و نحوه‌ی خمیدگی تیرک) به‌وسیله‌ی آشکارساز انعکاس باریکه‌ی لیزر از پشت آن صورت می‌گیرد. میزان تغییر مکان باریکه‌ی لیزر بازتابیده، بوسیله‌ی یک دیود نوری چهار منطقه‌ای مشخص می‌شود. در حالت عادی که میکروتیر هیچ انحرافی ندارد باریکه بازتابیده در مرکز دیود نوری قرار دارد، به‌گونه‌ای که به میزان مساوی، هر یک از نواحی چهارگانه را می‌پوشاند. خم شدن میکروتیر که براثر نیروی سطح به سوزن است، باعث جابجایی باریکه‌ی بازتابیده در صفحه عمود بر افق و تغییر نسبت پوشش باریکه لیزر در نیمه بالایی و پایینی دیود نوری می‌شود. همچنین پیچش تیرک حول محور آن‌ که به‌واسطه نیروی عمود بر سوزن است، باعث جابجایی افقی باریکه‌ی بازتابیده و تغییر نسبت پوشش باریکه لیزر در نیمه سمت راست و سمت چپ می‌شود.

AFM

شکل ۶. شماتیکی از آشکارساز

 

  • روبشگر پیزوالکتریک

حرکت سوزن میکروتیر یا نمونه توسط یک دستگاه حرکت‌دهنده‌ی بسیار دقیق که از سرامیـــــک‌های پیزوالکتریک ساخته شده است انجام می‌شود. سرامیک‌های پیزوالکتریک نوعی از مواد هستند که اگر به آنها اختلاف ولتاژ اعمال شود نسبت به تغییر ولتاژ واکنش نشان می‌دهند، همچنین اگر مجبور به انبساط یا واکنش شوند، اختلاف ولتاژ تولید می‌کنند. یکی از نکات کلیدی در میکروسکوپ سوزنی روبشی، روبش سطح نمونه با قدرت تفکیک‌پذیری بسیار بالا است که مواد پیزوالکتریک این امکان را فراهم می‌آورند. با اعمال ولتاژ مناسب جهت و میزان آن، تغییر طول می‌دهند (شکل ۷)، به این ترتیب با اتصال تیرک به روبشگر پیزوالکتریک، امکان روبش سطح نمونه با قدرت تفکیک در حدود یک آنگسترم فراهم می‌شود. اکثر میکروسکوپ‌های سوزنی روبشی از پیزوسرامیک‌های استوانه‌ای استفاده می‌کنند، زیرا دارای ساختار ساده و یکپارچه است و پایداری بالا و بازه روبش بزرگی دارد. روبش توسط یک استوانه توخالی از ماده پیزو انجام می‌شود. سطح داخلی استوانه از لایه نازکی از یک فلز رسانای الکتریکی مانند نیکل پوشانده شده و چهار الکترود سطح خارجی استوانه را پوشش می‌دهند و یک الکترود سطح داخلی را می‌پوشاند. اعمال ولتاژ به یک یا چند الکترود منجر به خمش یا کشیده شدن استوانه و حرکت نمونه در سه بعد می‌شود.

AFM

شکل ۷. شماتیکی از پیزوالکتریک

 

انواع مودهای کاری میکروسکوپ نیروی اتمی

۱: مود تماسی یا استاتیکی

در این حالت فاصله بین سوزن و سطح نمونه در حدود چند آنگستروم بوده و نیروی بین سوزن و سطح به‌صورت دافعه است. هنگامی‌که نوک سوزن به‌آرامی به سطح نمونه نزدیک می‌شود، ابتدا اتم‌های آنها به‌طور ضعیفی یکدیگر را جذب می‌کنند. این جاذبه تا جایی افزایش می‌یابد که تداخل ابرهای الکترونی اتم‌ها به‌صورت الکترواستاتیکی باعث ایجاد نیروی دافعه گردد (شکل ۸).

AFM

شکل ۸. شماتیکی از عملکرد مود تماسی

مطابق شکل ۲، با کاهش بیشتر فاصله، این نیروی دافعه افزایش یافته تا جایی که در فاصله‌ای در حدود ۱ یا ۲ انگستروم مقدار نیروی برهمکنش بین نوک سوزن و سطح نمونه صفر می‌شود. در این فاصله میکروتیر نمی‌تواند از طریق سوزن به سطح نمونه فشار وارد کند. انتخاب جنس میکروتیر از ماده‌ای با سختی کم باعث می‌شود که فشار وارده از طریق میکروتیر به سطح، به‌جای اینکه باعث کاهش فاصله بین نوک سوزن و سطح گردد باعث خم شدن میکروتیر شود.

در حالت تماسی، علاوه بر نیروی واندروالس بین نوک سوزن و سطح نمونه و نیروی وارد شده از طریق میکروتیر به سطح نمونه، وجود نیروی مویینگی بین نوک سوزن و سطح نمونه نیز حائز اهمیت است. این نیرو به‌صورت نیروی جاذبه قوی بین آن دو عمل می‌کند و تابع فاصله بین آنها است. در حالت استاتیکی به علت ثابت بودن فاصله بین نوک سوزن و سطح نمونه مقدار این نیرو نیز ثابت است.

حالت‌های کاری میکروسکوپ نیروی اتمی در مود تماسی به شرح زیرند:

 

  • حالت ارتفاع ثابت

در این حالت ضمن ثابت بودن فاصله بین نوک سوزن و سطح نمونه از تغییر شکل تیر به‌طور مستقیم برای تولید اطلاعات توپوگرافی استفاده می‌شود. در این حالت در طی فرایند روبش، ارتفاع پیزوالکتریک به‌صورت کاملاً افقی ثابت باقی می‌ماند. این روش برای تصویربرداری از سطوحی که در حد اتمی مسطح‌اند انجام می‌شود؛ بنابراین تغییر شکل میکروتیر و تغییرات نیرویی کوچک هستند. مزیت این روش نسبت به روش‌های دیگر سرعت بالای تصویربرداری است.

 

  • حالت نیرو ثابت

می‌توان از انحرافات میکروتیر برای ورودی یک مدار بازخورد به‌گونه‌ای استفاده کرد که تغییر شکل میکروتیر و در نتیجه مقدار نیرو ثابت باشد. این روش به‌وسیله یک عملگر پیزو با جابجا کردن میکروتیر به سمت بالا و پایین در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه انجام می‌شود. در این حالت سرعت روبش کاهش یافته ولی کل نیروی اعمالی به نمونه به‌خوبی قابل کنترل است. در این روش تصویر از حرکت روبشگر پیزوالکتریک حاصل می‌شود. مزیت این روش تولید تصاویر با دقت بسیار بالاست، ولی عیب اساسی در این روش مدت زمان زیاد روبش سطح به‌طور کامل است که از وجود مدار کنترل ناشی می‌شود.

 

۲: مود غیرتماسی یا دینامیکی

همان‌طور که در شکل ۹ نشان داده شده است، در این روش فاصله بین نوک سوزن و سطح نمونه بیشتر از ۳۰ آنگستروم است که در محدوده جاذبه نیروی واندروالس قرار دارد.

AFM

شکل ۹. شماتیکی از عملکرد مود غیرتماسی

 

همانطور که در نمودار نیرو- فاصله (شکل ۲) نشان داده شد، مقدار نیروی جاذبه در این حالت بسیار کم و به همین علت اندازه‌گیری آن بسیار مشکل است، علاوه بر این جنس ماده‌ی انتخاب شده برای میکروتیر بایستی نسبت به حالت تماسی دارای سختی بیشتری باشد تا با قرار دادن آن در محدوده جاذبه به علت تغییر شکل زیاد، وارد محدوده‌ی دافعه نشود. این دو عامل باعث می‌شوند که اندازه‌گیری نیروی جاذبه واندروالس توسط انحراف اشعه لیزر مشکل شود و از روش‌های استفاده شده در مود تماسی نتوان استفاده کرد. روشی که در این مود کاری استفاده می‌شود به این ترتیب است که یک عملگر پیزو الکتریک، میکروتیر را در نزدیکی فرکانس تشدیدش که معمولاً در محدوده ۱۰۰ تا ۴۰۰ کیلوهرتز است با دامنه‌ی چند دهم آنگستروم به حرکت وامی‌دارد و سپس تغییر در فرکانس تشدید یا دامنه ارتعاشات باعث نزدیک نمودن سوزن به سطح اندازه‌گیری می‌شود. در حالت مود غیرتماسی، رابطه بین تغییر در فرکانس تشدید، فنریت میکروتیر و تغییرات توپوگرافی سطح این‌چنین توصیف می‌شود که فرکانس تشدید میکروتیر متناسب با جذر ثابت فنریت میکروتیر تغییر می‌کند، علاوه بر این ثابت فنریت میکروتیر با گرادیان اعمال نیرو بر میکروتیر تغییر می‌کند و بالاخره گرادیان نیرو با تغییر فاصله‌ی نوک سوزن تا سطح تغییر می‌کند. پس تغییر در فرکانس تشدید معیاری برای تغییر فاصله نوک سوزن تا سطح نمونه است و در نتیجه تغییر در فاصله بین نوک سوزن تا نمونه قابل اندازه‌گیری است. مزیت حالت دینامیکی نسبت به حالت تماسی در این است که در وضعیت دینامیکی سوزن با نمونه تماس ندارد و کل نیروی بین نمونه و سطح کم است. از این مود برای توپوگرافی نمونه‌های نرم و همچنین نمونه‌هایی که سوزن نباید با آنها برخورد کند، استفاده می‌شود. علاوه بر این مشکل از بین رفتن سوزن طی توپوگرافی‌های متوالی از بین می‌رود. مشکل اصلی مود غیرتماسی، دقت پایین تصویربرداری در حضور یک لایه آلودگی از سیال روی نمونه است. همانطور که در شکل ۱۰ نشان داده شده است، در این حالت، سیستم، سطح پوشیده شده از لایه سیال را روبش می‌کند بدون آنکه نوک سوزن از این لایه عبور کند و در نتیجه تصویر به‌دست‌آمده متأثر از وجود سیال است.

AFM

شکل ۱۰. مقایسه بین مود تماسی و غیرتماسی روی سطوح آلوده

 

۳: مود شبه‌تماسی یا کوبشی

در این حالت فاصله بین نوک سوزن و سطح در حدود ۴ تا ۳۰ آنگستروم است. در این روش در حین فرایند روبش، نوسانات به‌گونه‌ای انجام می‌گیرند که در هر دوره تناوب یک‌بار سطح لمس می‌شود و به این ترتیب نوک سوزن وارد منطقه‌ی تماسی می‌شود. در این مود با کاهش ارتفاع پیزوالکتریک، تیرک در حال نوسان به سطح نزدیک می‌شود در این شرایط دامنه ارتعاشات میکروتیر کاهش یافته و از روی کاهش اندازه دامنه، توپوگرافی سطح مشخص می‌شود. اختلاف‌ فاز ارتعاشات تیرک نسبت به منبع القاکننده ارتعاش به مشخصات مکانیکی سطح از قبیل مدول یانگ و سختی وابسته است. علاوه بر این، ثابت شده است که فرکانس تشدید تیرک در حال ارتعاش وابسته به نیروست، در نتیجه با اندازه‌گیری تغییرات فرکانس تشدید می‌توان به اطلاعاتی در مورد نمودار نیرو- فاصله دست یافت. دقت اندازه‌گیری در این روش بیشتر از حالت دینامیکی بوده و با حالت تماسی برابری می‌کند. برخلاف روش غیرتماسی که سیگنال نیرو به دلیل دوری از سطح، کوچک است و منجر به کاهش دقت اندازه‌گیری می‌شود، سیگنال نیرو در روش شبه‌تماسی مناسب است. دقت اندازه‌گیری مودهای شبه‌‌تماسی با دقیق‌ترین روش‌های تماسی برابری می‌کند، درعین‌حال با توجه به ماهیت این روش، نیروهای عرضی که بیشترین آسیب را به نمونه‌ها در مود تماسی وارد می‌کنند، وجود ندارند. همچنین به دلیل مدت زمان بسیار کمتری که سوزن در تماس مؤثر با سطح است (به سطح نیروی دافعه وارد می‌کند) فشار مؤثر سوزن در این روش از مودهای تماسی کمتر است. با استفاده از القاگرهای غیرمکانیکی، مانند اعمال میدان مغناطیسی متناوب به تیرکی که یک‌لایه‌ی فرومغناطیس در پشت آن لایه‌نشانی شده است، نویز بسیار کمتر می‌شود و در نتیجه نسبت “سیگنال به نویز” افزایش می‌یابد، در نتیجه با دامنه‌هایی کوچک‌تر از قبل می‌توان سیگنال قابل قبولی بدست آورد. استفاده از دامنه‌های کمتر به معنی کاهش نیروی عمودی سوزن به سطح است. بر این اساس امکان مطالعه‌ی سطوح نرم و حساس با دقت‌های بالا میسر می‌شود، درحالی‌که این مسئله در مودهای تماسی ممکن نیست. استفاده از این روش در محیط مایع نیز ممکن است، چرا که اولاً نیروهای مویین که باعث تضعیف شدید تفکیک‌پذیری انداز‌ه‌گیری می‌شوند حذف می‌شوند و ثانیاً در محیط مایع با تغییر PH و غلظت یون‌ها می‌توانیم شرایطی را ایجاد کنیم که نیروی سوزن به سطح به کمینه مقدار خود برسد. نتیجه این مسئله امکان بررسی سطوح حساس‌تر با دقت اندازه‌گیری بیشتر است.

 

نیروهای برهمکنش بین سوزن و سطح نمونه

نیروهای برهمکنش بین سوزن و نمونه از عوامل زیادی مانند نیروهای واندروالس، چسبندگی، اصطکاکی، الکترواستاتیکی و مغناطیسی تشکیل شده که موجب پیچیده شدن مدل‌سازی رفتار تحلیلی برهم‌کنش سوزن و نمونه می‌شود. مقدار این نیروها وابسته به فاصله سوزن تا سطح نمونه است. نحوه‌ی مدل کردن این نیروها نقش بسیار مهمی در ارزیابی خواص نمونه دارد. در ادامه برخی از مهم‌ترین این نیروها معرفی می‌شوند.

 

  • نیروهای واندروالس

نیروهای واندروالس نیروهای دوربردی هستند که در فواصل دور از هم از نوک سوزن تا سطح نمونه غالب‌اند. این نیروها بین تمامی اتم‌ها و مولکول‌ها وجود داشته و از نیروهای جاذبه بین دوقطبی‌ها و بارهای الکتریکی ناشی می‌شوند. این نیروها از فاصله‌ی چند آنگسترومی تا چند صد آنگسترومی مؤثر بوده و بزرگی آنها بین ۱ تا ۲۰ نانو نیوتن است. این نیرو اصلی‌ترین نیروی برهمکنش بین سوزن و سطح نمونه بوده که می‌توان آن را با تقریب خوبی با مدل کردن شکل هندسی سوزن- نمونه به‌صورت یک کره‌ی نزدیک‌شونده به یک سطح مسطح نامحدود درنظرگرفت.

 

  • نیروهای مویینگی

لایه‌های نازک مایع روی نمونه‌ها و کندانسیون بخار مایع روی سطوح، منجر به ایجاد نیروهای مویینگی در زمانی که فاصله‌ی بین نوک سوزن و نمونه کوچک باشد، می‌شوند. این نیروها به‌صورت جاذبه بوده و معمولاً برد آنها بیشتر از نیروهای واندروالس است. بزرگی آنها در حدود ۱۰ تا ۱۰۰ نانو نیوتن بوده و از فاصله‌ی چند تا صد آنگستروم تأثیرگذارند. وجود این نیروها در آزمایشگاه‌های واقع در محیط باز بر داده‌های تجربی تأثیر گذاشته و باعث عدم انطباق آنها با داده‌های تحلیلی می‌گردند.

 

  • نیروهای چسبندگی

نیروهای چسبندگی بین سوزن و نمونه از پدیده‌ی کشش سطحی ناشی می‌شوند. ریشه‌ی این نیروها برهمکنش‌های الکترواستاتیکی بین سوزن و نمونه است. چسبندگی یک فرایند غیرپایستار بوده که بزرگی آن وابسته به بزرگی سطح تماس است. با انتخاب مدل مناسب تماس می‌توان اثرات این نیرو را نیز در مدل وارد کرد.

 

  • نیروهای الکترواستاتیکی

این نیروها از برهمکنش بارهای موضعی سوزن و نمونه به وجود آمده و قدرت و فاصله مؤثر آن از قانون کلمب- Coulomb’s law تبعیت می‌کند. نیروهای الکترواستاتیکی با ایجاد ولتاژ بین سوزن و سطح نمونه، اندازه‌گیری می‌شوند. برای اینکه این نیروها در داده‌های تجربی تأثیر منفی نگذارند کافی است تا بار الکتریکی ذخیره شده در میکروتیر و نمونه به شکل مناسبی تخلیه شود و این اجزا همواره خنثی بمانند.

 

  • نیروهای مغناطیسی

نیروهای عمل‌کننده بر دوقطبی‌های مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی، نیروهای مغناطیسی نامیده می‌شوند. در آزمایشگاه‌های تجربی، دوقطبی‌های مغناطیسی معمولاً در مواد فرومگنتیک موجود در سوزن وجود داشته و میدان مغناطیسی به‌وسیله فرومگنتیک نمونه و یا میدان‌های جریان موجود در نزدیکی سوزن ایجاد می‌شود. بزرگی این نیروها درحدود چندصد نانونیوتن است. با دورکردن آزمایش از میدان‌های مغناطیسی و همچنین ایزولاسیون مغناطیسی دستگاه می‌توان تاحدود زیادی از اثرات این نیروها بر داده‌های آزمایش دوری کرد.

 

  • نیروهای اصطکاکی

زمانی که سوزن، نمونه را روبش می‌کند نیروهای اصطکاکی در محل تماس ایجاد شده و در مقابل حرکت میکروتیر از خود مقاومت نشان می‌دهند. این نیروها همچنین در ناحیه تماس، به خاطر چرخش سوزن میکروتیر و برهمکنش غیرهمسان سوزن و نمونه نیز ایجاد می‌گردند. رابطه بین نیروهای قائم و اصطکاکی تا حدود زیادی پیچیده و غیرخطی است. چنانچه مدل‌سازی میکروتیر در مود غیرتماسی انجام شود نیازی به لحاظ این نیروها نیست.

 

  • نیروهای هیدرودینامیکی

نیروی هیدرودینامیکی در مایعات با غوطه‌وری کامل میکروتیر و نمونه در آن باعث کاهش شدید نیروی سوزن- نمونه می‌شود، بخصوص در این حالت نیروهای واندروالس کاهش می‌یابند و نیروهای مویینگی حذف می‌گردند. مدل‌سازی این نیروها بسیار سخت بوده و تابع سرعت و شتاب میکروتیر است. مدلسازی این نیروها معمولاً با لحاظ جرم و میرایی ویسکوز اضافی انجام می‌شود.

 

کاربردهای زیست‌شناختی AFM

در ابتدا میکروسکوپ‌های نیروی اتمی برای تصویربرداری توپوگرافی و بررسی خواص مکانیکی نمونه‌های بیولوژیکی به کار گرفته شدند. امروزه کاربردهای این دستگاه به حوزه داروسازی، بیوتکنولوژی، میکروبیولوژی، بیولوژی ساختاری، بیولوژی مولکولی، ژنتیک و دیگر حوزه‌های مرتبط گسترش پیدا کرده است. هم‌اکنون میکروسکوپ نیروی اتمی برای تصویر گرفتن و بررسی ساختارهای پروتئین، سلول‌های سرطانی، باکتری‌ها، برهمکنش‌های آنزیمی، غشاها، کروموزو‌م‌ها و غیره در شرایط فیزیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در شکل ۱۱، یک topographical map از نمونه‌ی بافت سینه که توسط میکروسکوپ نیروی اتمی پدید آمده مشاهده می‌شود.

AFM

شکل ۱۱

 This topographical map was generated by atomic force microscopy (AFM) of a sample of breast tissue taken from an individual with high breast density. The map measures 150 × ۱۵۰ μm, and each line took 12 minutes to collect; the whole map took 16 hours. Large collagen fibril bundles (fibres) can be observed connected to the surrounding tissue by a network of fine fibrils (150–۴۵۰ nm diameter). Such fibres were not observed in matched low mammographic density breast tissue.

 

برخی از منابع

  1. کتاب اصول فیزیکی دستگاه‌های آزمایشگاهی تألیف دکتر داریوش شهبازی گهرویی، انتشارات دانشگاه علوم پزشکی اصفهان
  2. Bin WANG, XiaoWU2, Tat-Hean GAN, Alexis RUSINEK. Finite Element Modelling of Atomic Force Microscope Cantilever beams with Uncertainty in Material and Dimensional Parameters
  3. محمد مصعب درعلی‌زاده، «بررسی ارتعاشات غیرخطی میکروسکوپ نیروی اتمی در محیط مایع»، پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه یزد
  4. جمال‌الدین افضلی، «ساخت سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی با نانولوله‌های کربنی و کاربردهای آن»، پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته فیزیک، دانشکده علوم پایه دانشگاه کردستان
  5. مجید راهی، «کنترل فعال در پایداری مقاوم ارتعاشات غیرخطی میکرو/ نانوتیر میکروسکوپ نیروی اتمی»، پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک گرایش طراحی مدارات کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه کاشان

 

برای دانلود پی دی اف بر روی لینک زیر کلیک کنید

 

برچسبها
  • تجهیزات آزمایشگاهی
  • مهندس احسان درخشان‌نیا
  • میکروسکوپ الکترونی
  • میکروسکوپ نوری
  • میکروسکوپ نیروی اتمی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *