Pioneros de AFM reconocidos con el Premio Kavli

30 años y 9.000 citas después, los inventores del Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) fueron reconocidos hoy con el Premio Kavli en Nanociencia.

Gerd Binnig y Christoph Gerber en la década de 1990.

El premio lo comparten Gerd Binnig, Christoph Gerber y Calvin Quate. Binnig y Gerber estuvieron anteriormente con IBM Research - Zurich y colaboraron con Quate de la Universidad de Stanford, mientras estaban en un año sabático (Binnig en Stanford, Gerber en IBM Research en San José, ahora Almaden).

Los tres científicos reciben el premio “ por la invención y realización de la microscopía de fuerza atómica, un gran avance en la tecnología de medición y nanoescultura que continúa teniendo un impacto transformador en la nanociencia y la tecnología . ”

El AFM se publicó por primera vez el 3 de marzo de 1986 en la revista de revisión por pares Physical Review Letters con el título simple "Microscopio de fuerza atómica". La invención combinó los principios de la microscopía de túnel de barrido (STM) y el perfilómetro de aguja para detectar la resolución atómica. Binnig co-inventó el STM unos años antes con el difunto Heinrich Rohrer y ambos recibieron el Premio Nobel de Física en 1986.

Binnig, que figura únicamente en la primera patente, fue citado en IEEE Spectrum Magazine en 2004 diciendo que la idea del AFM se le ocurrió inconscientemente mientras estaba acostado en el sofá. Mientras estuvo en Stanford involucró a Calvin Quate y su colega de IBM Christoph Gerber, con quien ya había colaborado para el desarrollo del STM, y juntos realizaron el AFM.

Gerber, quien fue entrevistado recientemente en la revista Physics World sobre el 30 aniversario del AFM, comentó sobre la evolución del invento:

“Gerd sugirió que podría ser posible medir las fuerzas interactivas, en lugar de la corriente, entre la punta y la muestra, y que quizás podríamos hacer esto con un voladizo. Hicimos un cálculo aproximado y nos dimos cuenta de que para obtener una resolución atómica necesitábamos poder detectar fuerzas en el nivel 10 ^–10 N o incluso 10 ^–11 ¡N! ”

El secreto para medir las diminutas fuerzas atómicas fue entregado por dos elementos preciosos:el oro y el diamante. Gerber comenta en Physics World:

“El corazón del dispositivo era una lámina de oro muy delgada de solo unas pocas micras de espesor que se usaba como voladizo. Tomamos un fragmento de un diamante triturado obtenido del lápiz óptico de un tocadiscos y lo pegamos en el voladizo para que sirviera como punta ”.

“No obtuvimos una resolución atómica de inmediato, pero estábamos lo suficientemente cerca como para enviar un artículo de revista. En un año, teníamos un instrumento más avanzado basado en un voladizo de silicio fabricado por lotes que mostró una resolución atómica por primera vez en una superficie de grafito ”.

Después de su trabajo fundamental, los tres impulsaron la tecnología AFM en varias direcciones nuevas, en particular con respecto al diseño y aplicaciones de voladizos.

Binnig adaptó el diseño del voladizo para crear una sonda masivamente paralela para la nanoestructura, dirigida al desarrollo de la memoria no volátil. Este trabajo ha derivado de una serie de innovaciones, incluidas las técnicas de nanopatrón.

En IBM, Gerber desarrolló una "nariz artificial" utilizando una matriz en voladizo, que ha demostrado ser un éxito en los campos de reacciones químicas y bioquímicas, así como en aplicaciones médicas. Continúa esta investigación hoy en su grupo de investigación en Basilea, Suiza.

Quate se ha centrado en voladizos micromecánicos para aplicaciones de detección para el descubrimiento de fármacos, diagnóstico de alimentos, caracterización de materiales y detección de explosivos.

En los últimos 30 años, los instrumentos AFM han experimentado un tremendo desarrollo con respecto a la sensibilidad, la resolución y la aplicación que se extienden a diversos campos.

Por ejemplo, en 2008 Markus Ternes y sus colaboradores en IBM Research - Almaden utilizaron este esquema de detección para deslizar átomos individuales a través de una superficie usando un AFM y también para medir directamente las fuerzas involucradas.

Un año después, un equipo de científicos de IBM en Zurich, dirigido por Gerhard Meyer y Leo Gross, modificó la punta de su AFM con una sola molécula de monóxido de carbono. Esta molécula diatómica, que tiene menos de un nanómetro de longitud, produjo imágenes con una resolución tan alta que la estructura química interna de una sola molécula podría resolverse (enlaces químicos).

Gross comenta:“Un diferenciador principal de nuestra técnica, con respecto a otras técnicas establecidas, es que medimos moléculas individuales. Otra ventaja es que podemos usar la punta para iniciar reacciones químicas de moléculas individuales y podemos seguir las reacciones y estudiar sus productos a escala atómica ”.

Meyer y Gross con su colega Bruno Schuler publicaron recientemente un artículo sobre el 30 aniversario de AFM en Physics World:

“Es importante destacar que un AFM de alta resolución ofrece oportunidades para comprender y controlar los procesos físicos, químicos y biológicos a nivel de moléculas individuales. Las mejoras continuas en la sensibilidad a la fuerza más la resolución temporal y espacial ampliarán las fronteras de la nanociencia. Quizás en otros 30 años, el AFM podría mejorarse aún más hacia un ensamblador atómico, como lo abordó Richard Feynman en su famosa charla de 1959 "Hay mucho espacio en la parte inferior":una herramienta que podría construir dispositivos, metamateriales y moléculas arbitrarios, 3D atómicamente precisos. . ”

"De cualquier manera, no hay duda de que el AFM continuará promoviendo descubrimientos desde la física fundamental hasta la química y las ciencias de la vida, desentrañando los mecanismos más enigmáticos de la naturaleza a escala nanométrica y más allá".

Esta es la segunda vez que los científicos de IBM reciben el premio Kavli. Don Eigler ganó el Premio Kavli de Nanociencia 2010 por el desarrollo de la manipulación de átomos y por la elucidación de fenómenos cuánticos con arreglos atómicos y moleculares controlados con precisión en las superficies.

Los premios Kavli reconocen a los científicos por los avances pioneros en nuestra comprensión de la existencia en sus escalas más grande, más pequeña y más compleja. Presentados cada dos años en los campos de la astrofísica, la nanociencia y la neurociencia, cada uno de los tres premios internacionales consta de $ 1 millón (EE. UU.). Los galardonados son elegidos por comités cuyos miembros son recomendados por seis de las sociedades y academias científicas más reconocidas del mundo.