Pioneiros do AFM Homenageados com Prêmio Kavli em Nanociência

Após 30 anos e mais de 9.000 citações, os inventores do Microscópio de Força Atômica (AFM) receberam o Prêmio Kavli em Nanociência.

Gerd Binnig e Christoph Gerber na década de 1990.

O Prêmio Kavli é compartilhado entre Gerd Binnig, Christoph Gerber e Calvin Quate. Binnig e Gerber estavam anteriormente na IBM Research – Zurique, enquanto Quate estava na Universidade de Stanford. Durante um ano sabático, Binnig esteve em Stanford e Gerber na IBM Research em San Jose (agora Almaden), promovendo colaboração próxima.

Os três cientistas foram homenageados "pela invenção e realização da microscopia de força atômica, um avanço na tecnologia de medição e nanoescultura que continua a ter impacto transformador na nanociência e tecnologia."

O AFM foi descrito pela primeira vez na edição de 3 de março de 1986 do Physical Review Letters sob o título conciso "Microscópio de Força Atômica". O dispositivo combinou os princípios da microscopia de tunelamento (STM) com um profilômetro de estilete, permitindo imagem com resolução atômica.

Binnig, que também co-inventou o STM com o falecido Heinrich Rohrer, recebeu o Nobel de Física em 1986 por esse trabalho. Ele mais tarde creditou a ideia do AFM a um insight subconsciente que teve enquanto estava deitado em um sofá, conforme observado em uma entrevista de 2004 na IEEE Spectrum Magazine.

Durante seu tempo em Stanford, Binnig recrutou a expertise de Calvin Quate e seu colega da IBM Christoph Gerber — que haviam colaborado anteriormente no STM — para trazer o AFM do conceito à realidade.

Em uma entrevista recente com Physics World marcando o 30º aniversário, Gerber refletiu sobre a evolução da invenção:

"Gerd sugeriu que medíssemos as forças interativas entre ponta e amostra, em vez da corrente de tunelamento, e que uma cantilever poderia fazer isso. Fizemos um cálculo aproximado e percebemos que alcançar resolução atômica exigia detectar forças no nível de 10^–10 N ou até 10^–11 N!"

A capacidade de sentir forças tão minúsculas dependia de dois materiais-chave: ouro e diamante. Gerber explicou:

"O coração do dispositivo era uma folha de ouro muito fina, com apenas alguns mícrons de espessura, usada como cantilever. Anexamos um fragmento de um diamante triturado — originalmente de uma agulha de toca-discos — à cantilever para servir como ponta."

Embora a resolução atômica não tenha sido alcançada imediatamente, a equipe estava perto o suficiente para submeter um artigo. Em um ano, desenvolveram uma cantilever de silício fabricada em lote que produziu as primeiras imagens de resolução atômica em uma superfície de grafite.

Após esse marco, o trio impulsionou a tecnologia AFM em novas direções, especialmente no design de cantilever e aplicações.

Binnig foi pioneiro em uma sonda massivamente paralela para nanoestruturação, visando desenvolver memória não volátil. Seu trabalho estimulou uma onda de inovações em técnicas de nanopadronização.

Gerber avançou um "nariz artificial" usando um array de cantilevers, alcançando avanços em diagnósticos químicos, bioquímicos e médicos. Ele continua essa pesquisa com seu grupo na Universidade de Basel, Suíça.

Quate focou em cantilevers micromecânicos para aplicações de detecção em descoberta de fármacos, diagnóstico de alimentos, caracterização de materiais e detecção de explosivos.

Nas últimas três décadas, instrumentos AFM evoluíram dramaticamente, melhorando sensibilidade e resolução enquanto expandiam para diversos campos.

Em 2008, Markus Ternes e colegas da IBM Research – Almaden usaram o AFM para deslizar átomos individuais sobre uma superfície e medir diretamente as forças envolvidas.

No ano seguinte, uma equipe da IBM Research – Zurique, liderada por Gerhard Meyer e Leo Gross, modificou a ponta do AFM com uma única molécula de monóxido de carbono. Essa ponta diatômica, com menos de um nanômetro de comprimento, produziu imagens que resolveram a estrutura química interna de moléculas individuais — ligações químicas em tempo real.

Gross observou: "Um diferencial principal de nossa técnica é que medimos moléculas individuais. Outra vantagem é que podemos usar a ponta para iniciar reações químicas de moléculas individuais e rastrear os produtos em escala atômica."

Meyer, Gross e Bruno Schuler publicaram recentemente um artigo sobre o 30º aniversário do AFM em Physics World, afirmando:

"AFM de alta resolução oferece oportunidades para entender e controlar processos físicos, químicos e biológicos no nível de moléculas individuais. Melhorias contínuas em sensibilidade de força, resolução temporal e espacial empurrarão as fronteiras da nanociência ainda mais. Talvez em mais 30 anos o AFM possa evoluir para um montador atômico, como Richard Feynman imaginou em sua palestra de 1959 'There's Plenty of Room at the Bottom' — uma ferramenta que poderia construir dispositivos, metamateriais e moléculas 3D atomicamente precisos."

"Independentemente disso, não há dúvida de que o AFM continuará a impulsionar descobertas da física fundamental à química e ciências da vida, desvendando os mecanismos mais enigmáticos da natureza na escala nanométrica e além."

Este é o segundo Prêmio Kavli concedido a um cientista da IBM. Don Eigler recebeu o Prêmio Kavli em Nanociência de 2010 por desenvolver manipulação atômica e elucidar fenômenos quânticos com arranjos atômicos e moleculares precisamente controlados em superfícies.

Os Prêmios Kavli homenageiam cientistas que pioneiram avanços em nossa compreensão da existência em suas escalas maior, menor e mais complexa. Concedidos bienalmente em astrofísica, nanociência e neurociência, cada prêmio carrega um valor de US$ 1 milhão. Os laureados são selecionados por comitês cujos membros são recomendados por seis das mais renomadas sociedades e academias científicas do mundo.