Pioneiros do AFM reconhecidos com o Prêmio Kavli

30 anos e 9.000 citações depois, os inventores do Microscópio de Força Atômica (AFM) foram reconhecidos hoje com o Prêmio Kavli em Nanociência.

Gerd Binnig e Christoph Gerber na década de 1990.

O prêmio é dividido entre Gerd Binnig, Christoph Gerber e Calvin Quate. Binnig e Gerber trabalharam anteriormente na IBM Research - Zurique e colaboraram com Quate da Universidade de Stanford, durante o período sabático (Binnig em Stanford, Gerber na IBM Research em San Jose, agora Almaden).

Os três cientistas recebem o prêmio “ pela invenção e realização da microscopia de força atômica, um avanço na tecnologia de medição e nanoescultura que continua a ter um impacto transformador na nanociência e tecnologia . ”

O AFM foi publicado pela primeira vez em 3 de março de 1986 na revista Physical Review Letters com o título simples de “Atomic Force Microscope”. A invenção combinou os princípios da microscopia de tunelamento de varredura (STM) e o perfilômetro de caneta para detectar a resolução atômica. Binnig co-inventou o STM alguns anos antes com o falecido Heinrich Rohrer e os dois receberam o Prêmio Nobel de Física em 1986.

Binnig, que está listado exclusivamente na primeira patente, foi citado na IEEE Spectrum Magazine em 2004 dizendo que a ideia do AFM lhe veio subconscientemente enquanto ele estava deitado no sofá. Enquanto estava em Stanford, ele envolveu Calvin Quate e seu colega da IBM, Christoph Gerber, com quem já havia colaborado para o desenvolvimento do STM, e juntos eles realizaram o AFM.

Gerber, que foi entrevistado recentemente na revista Physics World sobre o 30º aniversário da AFM, comentou sobre a evolução da invenção:

“Gerd sugeriu que poderia ser possível medir as forças interativas, ao invés da corrente, entre a ponta e a amostra, e que talvez pudéssemos fazer isso com um cantilever. Fizemos um cálculo aproximado e percebemos que, para obter a resolução atômica, precisávamos ser capazes de detectar forças no nível de 10 ^–10 N ou mesmo 10 ^–11 N! ”

O segredo para medir as pequenas forças atômicas foi entregue por dois elementos preciosos:ouro e diamante. Comentários de Gerber no Physics World:

“O coração do dispositivo era uma folha de ouro muito fina, com apenas alguns mícrons de espessura, usada como um cantilever. Pegamos um fragmento de um diamante triturado obtido com a caneta de uma vitrola e o colamos no cantilever para servir de ponta. ”

“Não obtivemos uma resolução atômica imediatamente, mas estávamos perto o suficiente para enviar um artigo de jornal. Em um ano, tínhamos um instrumento mais avançado baseado em um cantilever de silício fabricado em lote que mostrou resolução atômica pela primeira vez em uma superfície de grafite. ”

Após seu trabalho seminal, os três impulsionaram a tecnologia AFM em várias novas direções, em particular no que diz respeito ao design e aplicações do cantilever.

Binnig adaptou o design do cantilever para criar uma sonda massivamente paralela para nanoestruturas, voltada para o desenvolvimento de memória não volátil. Este trabalho gerou uma série de inovações, incluindo técnicas de nanopadronização.

Na IBM, Gerber desenvolveu um “nariz artificial” usando uma matriz cantilever, que se mostrou bem-sucedida nas áreas de reações químicas e bioquímicas, bem como em aplicações médicas. Ele continua esta pesquisa hoje em seu grupo de pesquisa em Basel, Suíça.

Quate tem se concentrado em cantiléveres micromecânicos para aplicações de detecção para descoberta de drogas, diagnósticos de alimentos, caracterizações de materiais e detecção de explosivos.

Nos últimos 30 anos, os instrumentos AFM tiveram um tremendo desenvolvimento no que diz respeito à sensibilidade, resolução e aplicação, espalhando-se em diversos campos.

Por exemplo, em 2008, Markus Ternes e colegas de trabalho da IBM Research - Almaden usaram esse esquema de detecção para deslizar átomos individuais por uma superfície usando um AFM e também para medir diretamente as forças envolvidas.

Um ano depois, uma equipe de cientistas da IBM em Zurique, liderada por Gerhard Meyer e Leo Gross, modificou a ponta de seu AFM com uma única molécula de monóxido de carbono. Essa molécula diatômica, que tem menos de um nanômetro de comprimento, produziu imagens com resolução tão alta que a estrutura química interna de uma única molécula poderia ser resolvida (ligações químicas).



Gross comenta:“Um dos principais diferenciais de nossa técnica, em relação a outras técnicas estabelecidas, é que medimos moléculas individuais. Outra vantagem é que podemos usar a ponta para iniciar reações químicas de moléculas individuais e podemos acompanhar as reações e estudar seus produtos em escala atômica. ”

Meyer e Gross com seu colega Bruno Schuler publicaram recentemente um artigo sobre o 30º aniversário da AFM no Mundo da Física:

“É importante ressaltar que um AFM de alta resolução oferece oportunidades para compreender e controlar processos físicos, químicos e biológicos no nível de moléculas individuais. Melhorias contínuas na sensibilidade à força mais resolução temporal e espacial irão empurrar as fronteiras da nanociência ainda mais. Talvez em outros 30 anos o AFM possa ser aprimorado ainda mais para um montador atômico, conforme abordado por Richard Feynman em sua famosa palestra de 1959 "Há muito espaço no fundo":uma ferramenta que pode construir dispositivos, metamateriais e moléculas de precisão atomicamente 3D arbitrários . ”

“De qualquer forma, não há dúvida de que o AFM continuará a promover descobertas desde a física fundamental até a química e as ciências da vida, desvendando os mecanismos mais enigmáticos da natureza em escala nanométrica e além.”

Esta é a segunda vez que cientistas da IBM recebem o Prêmio Kavli. Don Eigler ganhou o Prêmio Kavli de Nanociência de 2010 pelo desenvolvimento da manipulação de átomos e pela elucidação de fenômenos quânticos com arranjos atômicos e moleculares precisamente controlados em superfícies.

Os prêmios Kavli reconhecem os cientistas pelos avanços pioneiros em nossa compreensão da existência em suas escalas maiores, menores e mais complexas. Apresentado a cada dois anos nas áreas de astrofísica, nanociência e neurociência, cada um dos três prêmios internacionais consiste em US $ 1 milhão (EUA). Os laureados são escolhidos por comitês cujos membros são recomendados por seis das sociedades e academias científicas mais renomadas do mundo.