VU mokslininkai kartu su kolegomis ištobulino atominės jėgos mikroskopą – pagreitino ir išplėtė jo galimybes

Vilniaus universiteto (VU) ir Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) tyrėjai pagreitino atominės jėgos mikroskopą ir išplėtė jo skenuojamą plotą iki milimetrinio dydžio. Mokslininkų atradimas, aprašytas žurnale „Measurement“, gali būti plačiai taikomas medžiagų moksle, biotechnologijų ar puslaidininkių tyrimuose.

„Atominės jėgos mikroskopas, išrastas aštuntojo dešimtmečio viduryje, naudojamas tiriant paviršių struktūras, kurių dydis siekia kelis arba keliolika atomų. Jis veikia taip: maža konsolinė sija viename gale pritvirtinta prie masyvaus laikiklio, o kitame gale turi adatėlę, užaštrintą iki keleto atomų plonumo. Kai adatėlė braukiama per paviršių, ji gali „jausti“ labai smulkius paviršiaus nelygumus, įkrisdama į mažas duobutes ir pakildama ant mažų kalniukų. Šie judesiai fiksuojami lazeriu, šviečiant ant konsolinės sijos galo esančio atspindinčio paviršiaus ir matuojant atspindėto spindulio padėties poslinkį. Dėl ilgo spindulio kelio net labai maži (nanometrų dydžio) adatėlės judėjimai aukštyn ir žemyn sukelia reikšmingą atspindėto spindulio pokytį“, – paaiškina VU fizikas dr. Viktoras Novičenko.

Standartinis atominės jėgos mikroskopo skenavimo protokolas – kai horizontalioje XY plokštumoje adatėlė yra stumdoma „gyvatėlės“ trajektorija. Adatėlė stumiama iš kairės į dešinę per visą skenuojamo paviršiaus plotą, tada pastumiama mažu žingsniu žemyn, o paskui vėl juda iš dešinės į kairę – tokie veiksmai nuolat kartojami. Šis skenavimo protokolas, dar vadinamas rastriniu (ang. raster scanning), turi trūkumų dėl netolygaus pagreičio ir tikslumo ribotumo, todėl nėra tinkamas dideliems plotams skenuoti.

„Esant dideliems skenavimo plotams adatėlės pozicionavimo problemą galima palyginti su situacija, kai žmogui užrištomis akimis nurodoma nueiti vieną kilometrą į šiaurę, tada padaryti vieną žingsnį į vakarus ir vėl grįžti į pietus idealiai lygiagrečiu keliu atgal. Akivaizdu, kad toks scenarijus sunkiai realizuojamas“, – pasakoja dr. V. Novičenko.

FTMC mokslininkai Šarūnas Vaitekonis ir Artūras Ulčinas 2017 m. pademonstravo kitą skenavimo protokolą. Prie besisukančio pagrindo pritvirtintas bandinys (tiriamas medžiagos kiekis) yra sukamas pastoviu kampiniu greičiu ir adatėlė yra lėtai tolinama nuo sukimo ašies radialine kryptimi. Pasak fizikų, skenavimo metu adatėlė apeina spiralės formos trajektoriją XY plokštumoje ir toks veikimas labai primena patefono veikimą. Dėl pastovaus pagreičio šis skenavimo protokolas leidžia pasiekti centimetrų per sekundę eilės linijinį skenavimo greitį.

Tačiau čia slypi kita problema – bandinys, priklijuotas prie pagrindo, visada yra palinkęs sukimosi ašies atžvilgiu. „Kitaip tariant, bandinio normalės plokštumos vektorius su sukimosi ašies vektoriumi sudaro nenulinį kampą. O tai reiškia, kad matuojamame periodiniame signale turime didelę pirmą harmoniką, kuri neatneša jokios naudingos informacijos, išskyrus patį faktą, kad bandinys yra palinkęs. Tolstant nuo sukimosi ašies pirmos harmonikos dominavimas didėja, kol galiausiai adatėlės svyravimas dėl padidėjusios pirmos harmonikos pasiekia savo matavimo diapazono ribas“, – sako dr. Š. Vaitekonis.

Pasak fizikų, siekiant išvengti adatėlės svyravimų dėl bandinio polinkio, mėginį galima realiu laiku judinti aukštyn ir žemyn, kompensuojant palinkimo efektą. Tačiau kiekvienas elektromechaninis prietaisas turi inerciją ir todėl, sukant 40–50 Hz kampiniais greičiais, šis inercijos efektas veikia kaip uždelsimas su neapibrėžta delsa. Tai reiškia, kad signalas į prietaisą – valdiklį – ateina vėliau, nei yra išmatuotas, tačiau kiek vėliau – tiksliai nežinoma.

„Matematiškai kalbant, turime uždavinį, kai norime sukonstruoti valdiklį, gebantį visiškai panaikinti pirmą harmoniką periodiniame signale su neapibrėžta delsa, tuo tarpu kitos harmonikos turi linkti nepakitusios. Turėdamas patirties darbuose su valdikliais ir periodinėmis sistemomis iš karto supratau, kad matematiškai uždavinys yra išsprendžiamas“, – prisimena dr. V. Novičenko.

FTMC laboratorijos vadovas dr. A. Ulčinas pabrėžia atradimo svarbą: „Didelių paviršiaus plotų skenavimas nanometro tikslumu gali turėti didelę taikomąją reikšmę. Atominės jėgos mikroskopiją galima panaudoti plačiai įvairių paviršių grupei, pradedant nuo puslaidininkių, naujų baterijose naudojamų medžiagų ir polimerų iki biologinių objektų. Mūsų metodas leidžia per valandą surinkti informaciją, kurią tektų rinkti dienas ar net savaites naudojant įprastus skenavimo metodus. Įžvelgdami technologijos komercinį potencialą nusprendėme patentuoti savo atradimą.“

Šiuo metu FTMC kartu su VU turi patvirtintą esamos atominės jėgos mikroskopo skenavimo technologijos patentinę paraišką.