اصول فنی تجهیزات آزمایشگاهی
قسمت چهارم
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
مهندس احسان درخشان‌نیا
در سال ۱۶۵۵ رابرت هوك (Robert Hooke) كه يك فيزيكدان انگليسي بود، اولين نگرش ميكروسكوپي را انجام داد، اما حدود ۲۰ سال بعد و در سال ۱۶۷۴ آنتوني ليوونهوك (Anthony Leeuwenhoek) كه يك پارچه‌فروش هلندي بود، براي اولين بار توانست به كمك ميكروسكوپ دست‌ساز خود، تک‌سلول‌های زنده را ببيند. در سال ۱۶۸۳ هوک با تكميل ميكروسكوپي كه ساخته بود، توانست دنياي باكتري‌ها را نيز كشف كند. ساختار ميكروسكوپ‌ها به‌آهستگي دست‌خوش دگرگوني‌هايي شد و قدرت تفكيك آنها بهتر گرديد؛ اما ذات انسان از محدوديت بيزار است. ميكروسكوپ‌هاي معمولي قدرت بزرگنمايي تا حدود ۱۵۰۰ برابر دارند؛ اما اگر مي‌توانستيم دنياي ريزتر از اين را هم ببينيم چقدر بهتر بود. اين رؤیا در سال ۱۹۳۲ با ساخت اولين ميكروسكوپ الكتروني به واقعيت پيوست. ميكروسكوپ‌ها خود به چند دسته تقسيم مي‌شوند كه عبارتند از:
- میکروسکوپ نوری
معمولاً اجسام و موجوداتي با ميكروسكوپ نوري قابل مشاهده‌اند كه ضخامت و تراكم نداشته باشند تا نور به‌راحتی از آنها عبور كند، زيرا اساس تشكيل تصوير در ميكروسكوپ نوري عبور نور و يا انتقال نور از جسم مورد مطالعه است و به علت تفاوت در ميزان جذب نور از بخش‌هاي مختلف جسم، شكل و ساختمان آن را مي‌توان در زير ميكروسكوپ تشخيص داد.
- میکروسکوپ الکترونی
قدرت جداسازي ميكروسكوپ الكتروني از ميكروسكوپ نوري بهتر است؛ به اين معني كه با ميكروسكوپ الكتروني اجزاي کوچک‌تری را مي‌توان ديد. حد تفكيك‌پذيري به طول‌موج نوري كه به نمونه مي‌تابد بستگي دارد؛ در حقيقت بين اين دو، رابطه مستقيمي وجود دارد؛ يعني هرچقدر طول‌موج تابشي کوچک‌تر باشد، تفكيك‌پذيري نيز کوچک‌تر و قدرت جداسازي بيشتر است.
در قرن بيستم ميلادي با طرح نظريه موج مادي توسط دوبروي (De Broglie)، تحول شگرفي در طراحي ميكروسكوپ‌ها بوجود آمد. با استفاده از نظريه دوبروي در سال ۱۹۲۴ كه اذعان نمود جریان الكترون نيز مثل نور، خواص ذره‌اي موجي دارد، اولين بار طرح ميكروسكوپ الكتروني در سال ۱۹۳۱ توسط Knoll و Ruska ارائه شد. در سال ۱۹۴۵، Ruska طرح خود را توسعه داد و ميكروسكوپ الكتروني با قدرت تفکیک ۱۰۰ آنگستروم را ساخت. قدرت تفکیک يك ميكروسكوپ در عمل نمايانگر کوچک‌ترین جسم قابل رؤیت با آن ميكروسكوپ است.
هرچه قدرت تفكيك بيشتر باشد، اجسام کوچک‌تری را با آن ميكروسكوپ مي‌توان ديد، وقتی براي اولين بار ميكروسكوپ‌هاي الكتروني ساخته شد، در اين نوع ميكروسكوپ‌ها برخلاف ميكروسكوپ‌هاي نوري كه عامل تحريك، فوتون بود از ذرات مادي مثل الكترون به‌عنوان عامل تحريك، استفاده شد. اين امر سبب شد تا بزرگنمايي روش آناليز ميكروسكوپي افزايش يابد. انواع ميكروسكوپ الكتروني عبارتند از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (Scanning Electron Microscope) و میكروسكوپ الكتروني عبوري (Transmition Electron Microscope).
- ميكروسكوپ‌هاي سوزني روبشي (پروبی روبشی)
(Scanning Probe Microscope)
در ميكروسكوپ‌هاي سوزني روبشي يك سوزن با سطح خيلي كوچكي از نمونه برهمكنش دارد و تصوير نمونه با حركت مكانيكي سوزن روي آن بدست مي‌آيد. نمونه مورد آزمايش به‌صورت خط به خط روبش مي‌شود و برهمكنش سوزن با نمونه به‌عنوان عملگر موقعيت ثبت مي‌گردد. چندين نوع برهمكنش وجود داردكه براي بدست آوردن تصوير استفاده مي‌شود، و بر اساس نوع برهمكنش، ميكروسكوپ سوزني روبشي را مي‌توان به دو دسته تقسيم کرد که عبارتند از ميكروســـــــكوپ نيـــــروي اتمی (Atomic Force Microscope) و ميكروسكوپ تونــــــــــــــــــــــــلي روبشي (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 نوك 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 نوك 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 نوك سوزن و سطح نمونه نیروی بین اتمی یا واندروالس است که مقدار این نیرو تابع فاصله بین اتم، نوك سوزن و سطح است. همانطور که در شکل ۲ مشاهده می‌شود، این نیرو تا قسمتی به‌صورت جاذبه و قسمتی دیگر به‌صورت دافعه است.
شکل ۱. شماتیک دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی
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:
- تماسی (Contact mode) – تقریباً نزدیک‌تر از ۵ آنگستروم-
- شبهتماسی (Semi-contact mode) – بین ۴ تا ۳۰ آنگستروم-
- 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.
شکل ۳. (a): میکروتیر مستطیلی و (b): V-shaped
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 نوك تخت برای بررسی اصطکاك نواحی مختلف سطح استفاده می‌شود، چرا که آنچه در عمل به‌صورت اصطکاك 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
شکل ۵. انواع مختلف سوزن میکروتیر
- آشکارساز
مطابق شکل ۶ تعیین جهت‌گیری تیرك (میزان و نحوه‌ی خمیدگی تیرك) 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 تیرك حول محور آن که به‌واسطه نیروی عمود بر سوزن است، باعث جابجایی افقی باریکه‌ی بازتابیده و تغییر نسبت پوشش باریکة لیزر در نیمه سمت راست و سمت چپ می‌شود.
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. سراميك‌هاي پيزوالكتريك نوعي از مواد هستند كه اگر به آنها اختلاف ولتاژ اعمال شود نسبت به تغيير ولتاژ واكنش نشان مي‌دهند، همچنين اگر مجبور به انبساط يا واكنش شوند، اختلاف ولتاژ توليد مي‌كنند. يكي از نكات كليدي در ميكروسكوپ سوزني روبشي، روبش سطح نمونه با قدرت تفکیک‌پذیری بسيار بالا است که مواد پيزوالكتريك اين امكان را فراهم مي‌آورند. با اعمال ولتاژ مناسب جهت و ميزان آن، تغيير طول مي‌دهند (شکل ۷)، به اين ترتيب با اتصال تيرك به روبشگر پيزوالكتريك، امكان روبش سطح نمونه با قدرت تفكيك در حدود يك آنگسترم فراهم مي‌شود.
اكثر ميكروسكوپ‌هاي سوزني روبشي از پيزوسراميك‌هاي استوانه‌اي استفاده مي‌كنند، زيرا داراي ساختار ساده و يكپارچه است و پايداري بالا و بازه روبش بزرگي دارد. روبش توسط يك استوانه توخالی از ماده پيزو انجام مي‌شود. سطح داخلي استوانه از لايه نازكي از يك فلز رساناي الكتريكي مانند نيكل پوشانده شده و چهار الكترود سطح خارجي استوانه را پوشش می‌دهند و یک الكترود سطح داخلي را مي‌پوشاند. اعمال ولتاژ به يك يا چند الكترود منجر به خمش يا كشيده شدن استوانه و حركت نمونه در سه بعد می‌شود.
شکل ۷. شماتیکی از پيزوالكتريك
انواع مودهای کاری میکروسکوپ نیروی اتمی
1: 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 نوك 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).
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 نوك 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 نوك سوزن و سطح گردد باعث خم شدن میکروتیر شود.
در حالت تماسی، علاوه بر نیروی واندروالس بین نوك سوزن و سطح نمونه و نیروی وارد شده از طریق میکروتیر به سطح نمونه، وجود نیروی مویینگی بین نوك 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 نوك 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 نوك 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.
2: مود غیرتماسی یا دینامیکی
همانطور که در شکل ۹ نشان داده شده است، در این روش فاصله بین نوك سوزن و سطح نمونه بیشتر از ۳۰ آنگستروم است که در محدوده جاذبه نیروی واندروالس قرار دارد.
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 نوك سوزن تا سطح تغییر می‌کند. پس تغییر در فرکانس تشدید معیاری برای تغییر فاصله نوك سوزن تا سطح نمونه است و در نتیجه تغییر در فاصله بین نوك 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 نوك سوزن از این لایه عبور کند و در نتیجه تصویر به‌دست‌آمده متأثر از وجود سیال است.
شکل ۱۰. مقایسه بین مود تماسی و غیرتماسی روی سطوح آلوده
3: مود شبهتماسی یا کوبشی
در این حالت فاصله بین نوك 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 نوك سوزن وارد منطقه‌ی تماسی می‌شود. در این مود با کاهش ارتفاع پیزوالکتریک، تیرك 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 تیرك 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 تیرك 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 نوك 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 نازك مایع روی نمونه‌ها و کندانسیون بخار مایع روی سطوح، منجر به ایجاد نیروهای مویینگی در زمانی که فاصله‌ی بین نوك 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.
كاربردهاي زیست‌شناختی AFM
در ابتدا میکروسکوپ‌های نیروی اتمی براي تصويربرداري توپوگرافي و بررسي خواص مكانيكي نمونه‌هاي بيولوژيكي به كار گرفته شدند. امروزه كاربردهاي این دستگاه به حوزه داروسازي، بيوتكنولوژي، ميكروبيولوژي، بيولوژي ساختاري، بيولوژي مولكولي، ژنتيك و ديگر حوزه‌هاي مرتبط گسترش پيدا كرده است. هم‌اکنون ميكروسكوپ نيروي اتمي براي تصوير گرفتن و بررسي ساختارهاي پروتئين، سلول‌هاي سرطاني، باكتري‌ها، برهمكنش‌هاي آنزيمي، غشاها، كروموزو‌م‌ها و غیره در شرايط فيزيولوژيكي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
در شکل ۱۱، یک topographical map از نمونه‌ی بافت سینه که توسط میکروسکوپ نیروی اتمی پدید آمده مشاهده می‌شود.
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 × 150 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 (150–450 nm diameter). Such fibres were not observed in matched low mammographic density breast tissue.
برخی از منابع
- کتاب اصول فیزیکی دستگاه‌های آزمایشگاهی تألیف دکتر داریوش شهبازی گهرویی، انتشارات دانشگاه علوم پزشکی اصفهان
- Bin WANG, XiaoWU2, Tat-Hean GAN, Alexis RUSINEK. Finite Element Modelling of Atomic Force Microscope Cantilever beams with Uncertainty in Material and Dimensional Parameters
- 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
- جمال‌الدین افضلی، «ساخت سوزن ميكروسكوپ نيروي اتمي با نانولوله‌هاي كربني و كاربردهاي آن»، پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته فیزیک، دانشکده علوم پایه دانشگاه کردستان
- 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
https://www.britannica.com/technology/microscope
برای دانلود پی دی اف بر روی لینک زیر کلیک کنید
ورود / ثبت نام