مجهر القوة الذرية AFM

على الرغم من أهمية المجهر النفقي (مزيد من المعلومات عنه في مقالنا السابق هنا ) في الاكتشافات الحديثة إلا أنَّه لا يتعامل إلا مع العينات الناقلة أو المطلية بناقل الأمر الذي حدَّ من تطبيقاته، لذلك تم تطوير مجهر القوة الذريةAFM (Atomic Force Microscope) في محاولة لتوسيع تقنية المجهر الماسح النفقي لتشمل دراسة المواد غير الناقلة كهربائياً كالبروتينات كما تم تطوير رأسه المدبب ليضمن مسح أكثر دقة لأبعاد أقل، وفي عام 1986 أوضح كل من بينينغ Binnig وكوات Quate ولأول مرة أفكار مجهر القوة الذرية والذي يستخدم نهاية مدببة صغيرة جداً لمسبار في نهاية ذراع (كابول).

مقارنة بين المجهر الالكترونى والضوئي ومجهر القوة الذرية:

- يمكن للمجهر الضوئي والمجهر الالكتروني توليد صورة ثنائية الأبعاد لسطح العينة بسهولة مع تكبير 1000 مرة بالنسبة و بضع مئات من الآلاف ~100،000 بالنسبة للمجهر الالكتروني، مع ذلك فإن هذه المجاهر لا تستطيع قياس البعد العمودي ( في الاتجاه Z )للعينة ، الارتفاع ( للجزيئات على سبيل المثال) أو العمق (للثقوب على سبيل المثال ) في العينة المدروسة .

-مجهر القوة الذرية والذي يستخدم نهاية مدببة حادة لسبر معالم السطح يمكنه تصوير طبوغرافية السطح مع تكبير عالي للغاية، يصل الى 1،000،000 مرة مقارنة، أو حتى أفضل من، المجاهر الالكترونية.

تتم قياسات مجهر القوة الذرية في ثلاث أبعاد الأفقي: المستوي (X_Y) والعمودي. Zالدقة (التضخيم) في الاتجاه z تكون عادةً أعلى منها في ال(X-Y).

كيف يعمل مجهر القوة الذرية:

يقدم لنا مجهر القوة الذرية توصيفاً ثلاثي الأبعاد للسطح على المقياس النانوي عن طريق حساب القوى بين المسبار الحاد (أصغر من 10 نانومتر) والسطح وذلك على مسافة صغيرة جداً (البعد بين المسبار والعينة 0.2-10 نانومتر) يكون المسبار مثبتا على كابول* مرن. تقوم النهاية المدببة للمسبار بملامسة السطح بلطف وتسجيل القوة الصغيرة بين المسبار والسطح.

كيف يتم قياس القوة؟

يوضع المسبار في نهاية الكابول (والذي يمكن للمرء أن يفكر به كأنه نابض) كمية القوة بين المسبار والعينة تعتمد على ثابت نابض (قساوة) الكابول والمسافة بين المسبار والعينة، يمكن وصف هذه القوة باستخدام قانون هوك: F=-k•x

F: القوة. K: ثابت النابض. X: انحناء ذراع كابول.

إذا كان ثابت نابض كابول أقل منه للسطح أي أقل من ثابت النابض الممسك بذرات العينة مع بعضها البعض (أيضاً هنا تم تشبيه الروابط بين الذرات بنوابض)، ينحني الكابول وتتم مراقبة الانحناء.

مم يصنع المسبار:

يصنع المسبار عادة من نتريد السيلكونSi3N4 أو Si السيلكون تسبب كل من الأطوال و المواد و الأشكال المختلفة للكابول تغيرا في ثابت النابض وتواتر التجاوب، يمكن للمسبار أن يطلى بمواد اخرى وذلك من أجل تطبيقات اضافية مثل مجهر القوة الكيميائية CFM و مجهر القوة المغناطيسية MFM

الأجهزة:

يتم التحكم بحركة المسبار على السطح بشكل مشابه لذلك في مجهر المسح النفقي باستخدام حلقة تغذية راجعة وماسح بيزوكهربائي**(عادةً يكون الكابول مرتبط بماسح يتحكم بحركته الشاقولية في الاتجاه Z وتتوضع الغينة على ماسح x-y يتحكم في الحركة على المستوي الأفقي)ويكون الفرق الرئيسي في تصميم الأجهزة في كيفية التحكم بالقوى بين المسبار وسطح العينة. يتم قياس انحناء المسبار عادةً باستخدام طريقة ارتداد الحزمة، حيث يرتد ليزر من الجزء الخلفي للكابول ليصل الى كاشف ديود ضوئي(ثنائي ضوئي مصنوع من نصف ناقل عند تعرضه للضوء يولد تيار في دارته فيتم قياسه) حساس للموقع. يقوم الكاشف بحساب انحناء الكابول خلال مسح النهاية المدببة للعينة. يستخدم انحناء الكابول المقاس في توليد خريطة لطبوغرافية السطح.

ما أنواع القوى التي يتم قياسها؟

إن التفاعلات المهيمنة على مسافات صغيرة بين المسبار والعينة في مجهر القوة الذرية هي تفاعلات فاندرفالس (وهي تفاعلات تنشأ نتيجة استقطاب كهربائي لحظي بين ذرات أو جزيئات تكون قريبة من بعضها جداً وهذ ه التفاعلات تعتبر من أضعف التفاعلات بين الجزيئات). أما التفاعلات طويلة المدى (كالشعرية والكهربائية الساكنة والمغناطيسية) تكون ذات أهمية بعيداً عن السطح وهي مهمة في طرق التحليل الأخرى.

خلال التماس مع العينة فإن القوى المسيطرة التي يواجهها المسبار هي قوى فاندرفالس التنافرية (نمط التماس) هذا يؤدي الى انحناء النهاية المدببة الموصوف سابقاً. أثناء حركة النهاية المدببة بعيداً عن السطح تكون قوى فاندرفالس التجاذبية هي المسيطرة (نمط اللاتماس).

أنماط التشغيل:

1- نمط التماس: يكون التباعد بين السطح والمسبار أصغر من 0.5 نانومتر: (قوى فاندرفالس التنافرية) عندما يكون ثابت نابض الكابول أقل منه للسطح فإن الكابول ينحني. القوة على النهاية المدببة هي قوة تنافرية. عن طريق المحافظة على انحناء ثابت للكابول باستخدام حلقة التغذية الراجعة (حيث يتم تحريك الماسح في الاتجاه Z العمودي ليحافظ على انحناء ثابت للكابول) فإن القوة بين المسبار والعينة تبقى ثابتة ويتم الحصول على صورة للسطح وتدعى هذه الطريقة باسم القوة الثابتة وتستخدم في معظم التطبيقات. هناك طريقة أخرى للقياس في نمط التماس هي طريقة الارتفاع الثابت وتستخدم لأخذ صور على المستوي.

هنا يطفأ الماسح البيزوكهربائي في الاتجاه Z وتمسح العينة بدون تغذية راجعة في الاتجاه Z. وعوضاً عن ذلك يستخدم انحناء الكابول لتوليد معلومات مباشرةً عن شكل السطح لأن ارتفاع الماسح يثبت خلال المسح. انحناءات الكابول والتغيرات في القوة المطبقة تكون صغيرة.

مزايا نمط التماس: مسح سريع – جيدة للعينات القاسية – تستخدم في تحليل الاحتكاك.

عيوب نمط التماس: مع الوقت يمكن للقوى أن تخرب و/ أو تشوه العينات الطرية مع ذلك فإن التصوير في السوائل عادة ما يحل هذه المشكلة.

2-نمط التماس المتقطع (النقر): التباعد بين السطح والمسبار بين 0.5-2 نانومتر التصوير في هذا النمط مشابه لنمط التماس، مع ذلك في هذا النمط يهتز الكابول عند تواتر تجاوب (التواتر الطبيعي الذي سيهتز به الجسم اذا ما ترك يهتز بشكل حر فمثلاً اذا ضرب نابض في نهايته كتلة -المسبر- فسيهتز للأعلى والأسفل بتواتره الطبيعي).

ينقر المسبار بخفة على سطح العينة خلال عملية المسح ملامساً السطح في نهاية اهتزازه. عن طريق المحافظة على سعة اهتزاز ثابتة يتم المحافظة على تفاعل ثابت بين العينة والنهاية المدببة ويتم الحصول على صورة للسطح.

مزاياه: يقدم دقة عالية للعينات التي تتخرب بسهولة – جيد من أجل العينات البيولوجية.

العيوب: مزيد من التحديات بالنسبة للتصوير في السوائل، بحاجة الى سرعة مسح أبطأ.

3- نمط اللاتماس (قوى فاندرفالس التجاذبية): التباعد بين السطح والمسبار 0.1 – 10 نانومتر: المسبار هنا لا يلامس سطح العينة ولكنه يهتز فوق طبقة السائل الممتز على السطح خلال المسح. ملاحظة: (جميع العينات باستثناء العينات في التخلية العالية جداً او الحجيرة البيئية لها بعض السائل الممتز أي المتجمع على سطحها دون أن يدخل العينة كما يحدث في الامتصاص).

يمكن باستخدام حلقة التغذية الراجعة في مراقبة التغيرات في السعة نتيجة قوى فاندرفالس التجاذبية حساب طبوغرافية السطح.

المزايا: القوة المطبقة على العينة صغيرة جداً مما يزيد من عمر المسبار.

العيوب: عادةً دقة أقل، طبقة ملوثة على السطح يمكن أن تتداخل مع الاهتزاز، كما تحتاج عادةً الى تخلية عالية جداً للحصول على صور أفضل.

على يمين المنحني يفصل بين الذرات مسافة كبيرة. بتقريب الذرات من بعضها البعض تدريجياً، تنجذب الى بعضها بشكل ضعيف. يزداد هذا التجاذب كلما اقتربت أكثر وعندما تصبح الذرات قريبة من بعضها جداً تتنافر السحب الالكترونية كهربائياً. باستمرار تناقص المسافة بين الذرية تُنقص قوة التنافر من قوة التجاذب. الى أن تصبح القوة مساوية للصفر بين الذرات عندما تكون المسافة بينها بضعة أنغسترومات، تقريباً بطول الرابطة الكيميائية. عندما تصبح قوة فاندر فالس موجبة كلياً أي تنافرية تكون الذرات حينها متصلة ببعضها.

ميل منحني فاندر فالس يكون شديد الانحدار في منطقة التماس. لذلك، توازن قوة فاندر فالس التنافرية أي قوة تقريباً تحاول دفع الذرات لتقربها من بعضها البعض. في مجهر القوة الذرية ذلك يعني أنَ دفع الكابول للابرة باتجاه العينة، سينحني الكابول بدلأ من اجبار الذرات على التقارب من بعضها. حتى وان صمم الكابول بحيث يكون قاسي ليولد قوة كبيرة على العينة، مسافة الفصل بين الذرية بين الرأس والعينة لن تتناقص كثيراً. وعوضاً عن ذلك سيتخرب سطح العينة.

ماهي منحنيات القوة؟

منحنيات القوة تعبر عن كمية القوة المحسوسة بواسطة الكابول أثناء تقريب النهاية المدببة للمسبار من سطح العينة ثم ابعاده عنها. في تحليل منحني القوة يتم جلب المسبار بشكل متكرر نحو السطح ثم ارجاعه. يمكن استخدام تحليل منحني القوة في تحديد الخواص الكيميائية والميكانيكة مثل الالتصاق والقساوة والمرونة

ماهي حدود مجهر القوة الذرية:

- يمكن استخدام مجهر القوة الذرية لدراسة مجموعة متنوعة من العينات (كالبلاستيك و المعادن والزجاج وانصاف النواقل والعينات البيولوجية مثل جدران الخلايا و البكتيريا) على عكس المجهر الماسح النفقي أو المجهر الماسح الالكتروني فإنه لا يتطلب عينة ناقلة. مع ذلك يوجد حدود في تحقيق الدقة الذرية. المسبار المستخدم في التصوير في مجهر القوة الذرية ليس حاداً بشكل مثالي. ونتيجة لذلك فإن صور هذا المجهر لا تعكس الطبوغرافية الحقيقية للعينة وعوضاً عن ذلك تمثل تفاعل المسبار مع سطح العينة

- المسابر المتوافرة تجارياً أصبحت منتشرة على نطاق أوسع وهي مصنوعة من مواد كأنابيب الكربون النانوية ولكنَ هذه المسابر لازالت غالية الثمن جداً لأجل الاستخدام اليومي في تحليل الصور.

*الكابول : قضيب مثبت من احدى نهايتيه ليشكل دعامة أفقية لبنى مثل الجسور والرفوف وهنا هو يشكل دعامة للرأس المدب للمجهر.

**بيزوكهربائي أو كهربائي انضغاطي. بتغير الكمون المطبق على الماسح يمكن التحكم بموضع المسبر. وذلك يعود للخصائص الفريدة للمواد البيزوكهربائية. فللمواد البيزوكهربائية ثنائي قطب دائم . في حال ترتيب الأقطاب، سيتغير طول المادة حسب الكمون المطبق. هنا

المصادر:

هنا

- (Basic Contact AFM & Dynamic Force Microscope (DFM

Basic Topographic Imaging

هنا

- Introduction to Scanning Probe Microscopy (SPM)

Basic Theory

Atomic Force Microscopy (AFM)

Robert A. Wilson and Heather A. Bullen،* Department of Chemistry، Northern Kentucky University، Highland Heights، KY 41099.