Il microscopio a forza atomica (spesso abbreviato in AFM, dall'inglese atomic force microscope) è un microscopio a scansione di sonda (SPM) inventato da Gerd Binnig, Calvin Quate e Christoph Gerber nel 1986.
Oltre a essere utilizzato come mezzo d'indagine, è anche uno dei principali strumenti di manipolazione della materia su scala nanometrica.
Principio di funzionamento
Il microscopio a forza atomica consiste di una microleva (cantilever) alla cui estremità è montata una punta acuminata (tip), tipicamente composta di silicio o nitruro di silicio, che presenta un raggio di curvatura dell'ordine dei nanometri.
La punta investigatrice viene collocata nelle strette vicinanze della superficie del campione di cui si vuole effettuare la scansione. La forza di van der Waals che agisce tra la punta ed il campione provoca una deflessione della microleva (la cui costante elastica è nota), in accordo con la legge di Hooke.
La deflessione della leva viene misurata utilizzando un punto laser riflesso dalla sommità della microleva verso una matrice di fotodiodi. Tuttavia, un sistema di rilevamento laser può essere costoso ed ingombrante; un metodo alternativo per determinare la deflessione della microleva consiste nell'utilizzare sonde AFM piezoresistive. Queste sonde sono fabbricate con elementi piezoresistivi che fungono da estensimetri a resistenza. Le deformazioni della sonda del microscopio a forza atomica dovute alla deflessione possono essere misurate utilizzando un ponte di Wheatstone, ma questo metodo non è altrettanto preciso di quello a deflessione laser.
Se la punta fosse esplorata ad altezza costante, si correrebbe il rischio che essa possa collidere con la superficie, danneggiandola. Di conseguenza, nella maggior parte dei casi viene utilizzato un meccanismo di retroazione per regolare la distanza tra la punta e il campione al fine di mantenere costante la forza che agisce tra loro. Generalmente il campione è collocato su un tubo piezoelettrico, che può spostarlo in direzione perpendicolare (direzione z) per mantenere una forza costante e nel piano (direzioni x ed y) per analizzarne la superficie. La mappa risultante s(x,y) rappresenta la topografia della superficie campione.
Modi di funzionamento
Il microscopio a forza atomica presenta tre principali modi di funzionamento: misura di forza, imaging, e manipolazione.
Le misure di forza permettono di valutare le forze presenti tra punta e campione in funzione della loro distanza. Questo metodo di funzionamento può essere applicato durante misure di spettroscopia di forza per misurare determinate proprietà del campione, come il modulo di elasticità (modulo di Young). In particolare, la spettroscopia di forza misura l'interazione e le forze di legame tra singole molecole, sfruttando forze meccaniche di stiramento o torsionali.
Limaging si basa sul fatto che la forza di interazione tra punta e campione possa essere utilizzata per formare un'immagine tri-dimensionale (topografia) della superficie del campione ad alta risoluzione. L'immagine topografica viene costruita registrando la posizione del campione rispetto alla punta e registrando l'altezza della sonda mantenendo costante l'interazione tra la punta e il campione. La topografia della superficie è comunemente visualizzata tramite un grafico a falsi colori.
Nei metodi di manipolazione, è possibile cambiare le proprietà del campione in maniera controllata sfruttando le forze tra la punta e il campione. La manipolazione può avvenire a livello atomico e viene utilizzata in applicazioni come la litografia a scansione di sonda o per la stimolazione di cellule.
Oltre all'acquisizione della topografia del campione, possono essere contemporaneamente misurate, ad alta risoluzione, diverse proprietà locali. Esempi interessanti sono sia proprietà meccaniche quali la rigidità del campione o le forze di adesione, che proprietà elettriche, come la conduttività o il potenziale della superficie.
Altre tecnologie La principale differenza tra l'AFM e le altre tecnologie di microscopia, come microscopie ottiche e elettroniche, é data dal fatto che l'AFM non utilizza né lenti né irradiazione da fasci. Pertanto la risoluzione spaziale non è limitata da diffrazione o aberrazione spaziale e non é necessario lavorare in vuoto o colorare il campione.
I tipi di microscopia a scansione, oltre ad includere la microscopia a scansione di sonda (in cui sono comprese AFM, microscopio a effetto tunnel (STM) e near-field scanning optical microscope (SNOM/NSOM), STED microscopy (STED), microscopio elettronico a scansione e l'AFM elettrochimico (EC-AFM). Sebbene SNOM e STED utilizzino luce visible, infrarosso o anche terahertz per illuminare il campione, la risoluzione di tali tecniche è limitata dal limite di diffrazione.
Configurazione In Fig. 3 é mostrato uno schema del funzionamento della AFM. I numeri nelle parentesi corrispondono ai numeri indicati nell'immagine. Il sistema di coordinate è indicato in figura (0).
Un cantilever (1) di piccole dimensioni, modellizzabile come una molla, è situato sul supporto (2). Un elemento piezoelettrico (tipicamente fatto di un materiale ceramico) (3) può, a seconda del modo di acquisizione scelto, far oscillare il cantilever (1). Una punta aguzza (4) è posizionata alla fine della parte libera del cantilever (1). Il detector (5) registra la deflessione e il moto del cantilever (1). Il campione (6) é montato su un portacampioni (8). Il movimento xyz (7) permette di muovere sia il campione (6) che il portacampioni (8) nelle direzioni x, y, e z rispetto alla sommità della punta (4).Sebbene la Fig. 3 mostri i comandi per il movimento vicini al campione, essi possono anche essere situati vicino alla punta o comandi indipendenti possono essere attaccati ad entrambi, dal momento che in alcuni sistemi vanno controllati sia lo spostamento fine della punta che del campione. I comandi per controllare lo strumento e per fare le immagini non sono mostrati in Fig.3.
In accordo con la configurazione mostrata sopra, l'interazione tra la punta e il campione, che é un fenomeno su scala atomica registrato tramite spostamenti del cantilever, é tradotto su scala macroscopica. Molti parametri relativi al cantilever possono essere utilizzati per quantificare l'interazione tra punta e campione. La deflessione del cantilever è la più utilizzata, ma si possono ottenere informazioni anche dall'ampiezza dell'oscillazione imposta sul cantilever o da cambiamenti della frequenza di risonanza del cantilever.
Detector Il detector (5) dell'AFM misura la deflessione del cantilever rispetto alla posizione dei equilibrio e la converte in un segnale elettrico. Le intensità del segnale sono proporzionali allo spostamento del cantilever.
Per l'acquisizione del segnale, sono utilizzati diversi metodi, quali l'nterferometria, metodi piezoresistivi e piezoelettrici.
Formazione dell'immagine Nota importante: Per il seguente paragrafo, viene considerata la modalità "a contatto" (per ulteriori informazioni si consiglia la lettura della sezione Modalità di acquisizione). Per gli altri metodi di acquisizione, il procedimento è simile, eccetto per il fatto che il termine che indica la "deflessione" dovrebbe essere rimpiazzato da un'appropriata variabile di feedback.
Quando viene utilizzato il microscopio AFM per acquisire la morfologia di un campione, la punta è portata a contatto con il campione. Il campione stesso è scansito lungo una griglia nelle direzioni x e y.(fig 4). Solitamente viene impiegato un circuito di feedback elettronico, per mantenere la forza tra la punta ed il campione costante durante la scansione. La variabile di ingresso di tale circuito è la deflessione del cantilever e la variabile in uscita è il controllo sulla distanza, lungo -asse z, tra la punta ed il supporto (rispettivamente 2 e 8 nella fig. 3). Finché la punta rimane a contatto con il campione e la scansione avviene lungo il piano x,y, le variazioni in altezza del campioni si traducono in movimenti del cantilever. Il feedback, a questo punto, riporta l'altezza del supporto della punta ad un valore predeterminato dall'utente, chiamati setpoint. Il circuito di feedback ha quindi il compito di monitorare la distanza di separazione tra il supporto e il campione durante la scansione, in modo che la deflessione rimanga circa costante. In questa configurazione, il feedback rappresenta la topografia della superficie, entro piccoli errori.
Storicamente, è stato utilizzato un altro metodo, in cui la distanza tra la punta e il supporto per il campione è mantenuta costante e non è controllata da un circuito di feedback (servomeccanismo). In questo metodo, solitamente chiamato "modo ad altezza costante", la deflessione del cantilever è registrata come una funzione delle posizioni in x e y del cantilever. Finché la punta rimane a contatto con il campione, la deflessione corrisponde alla topografia della superficie. La principale ragione per cui questo metodo non viene più utilizzato risiede nel fatto che le forze tra il campione e la punta non possono venire controllate e, se troppo intense, possono danneggiare la punta o il campione. In ogni caso, è pratica comune che, anche in questa modalità, venga registrata la deflessione del cantilever. Infatti quest'ultima può rivelare piccoli errori nella tracciatura del feedback o rivelare elementi che il feedback non è in grado di rilevare.
Il segnale AFM, che si tratti di quello di altezza o della deflessione del cantilever, è registrato da un computer durante la scansione. Le immagini sono create in falsi colori, in cui ciascun pixel rappresenta la posizione in x e y e i colori il segnale registrato.
Storia Il microscopio a forza atomica è stato inventato da scienziati IBM, tra cui Binnig, nel 1982. Binnig, insieme a Rohrer, aveva precedentemente inventato il microscopio a effetto tunnel all'inizio del 1980 nel centro di ricerca IBM Research - di Zurigo. Per tale invenzioni, Binnig e Rohrer ottennero il Premio Nobel per la fisica nel 1986. Nello stesso anno, venne realizzata la prima versione sperimentale del microscopio AFM da Binnig, Quate e Gerber.
La prima versione commerciale venne distribuita nel 1989. Ad oggi è uno dei microscopi più utilizzati per misurare, acquisire immagini e manipolare la materia alla nanoscala.
Applicazioni L'AFM può essere utilizzato per una vasta gamma di discipline appartenenti al ramo delle scienze naturali. Fra tutte, sono particolarmente rilevanti la fisica dello stato solido, la scienza e tecnologia dei semiconduttori, l'ingegneria molecolare, la chimica e la fisica dei polimeri, la chimica di superficie, la biologia cellulare e la medicina.
Tra le applicazioni al campo della fisica dello stato solido sono di notevole importanza l'identificazione di atomi sui diversi substrati, la valutazione delle interazioni tra un atomo specifico e gli atomi vicini e lo studio dei cambiamenti nelle proprietà fisiche derivate dalla manipolazione di atomi.
In biologia molecolare, l'AFM può essere utilizzata per studiare la struttura e le proprietà meccaniche di proteine complesse e insiemi di proteine: è stata infatti utilizzata per immagini topografiche e misure di durezza di microtuboli, proteine e Batteriorodopsina.
In biologia cellulare viene invece utilizzata per distinguere cellule affette da cancro da cellule sane, basandosi sulla differenza di modulo di Young. Viene inoltre impiegata per valutare l'interazione tra una cellula specifica e le cellule vicine. Un altro modo di utilizzo è l'indentazione delle cellule, per studiare come cambia la durezza e la forma della membrana della cellula.
Alcuni particolari tipi di cantilever conduttivi permettono di valutare i potenziali elettrici. In particolare alcuni sistemi permettono di registrare i cambiamenti di corrente che scorre nella punta per valutare la conduttività elettrica o le proprietà di trasporto. Modi di acquisizione