میکروسکوپ نیروی اتمی در آنالیز نانوذرات

میکروسکوپ نیروی اتمی Atomic Force Microscope (AFM)، آنالیزی قدرتمند درحوزه نانو به منظور بررسی خواص و ساختارهای سطحی مواد و نانوذراتی همچون نانوذرات آهنی، نانوذرات روی، نانوذرات نقره و نانوذرات طلا و نانوپوشش هایی همچون نانولیپوزوم، نانوکیتوزان و سایر پلیمرهای دیگر و همچنین نانوالیاف و نانو فیبرها، می باشد. به شمار می رود. این میکروسکوپ از گروه میکروسکوپ‌های پروبی روبشی SPM به شمار می رود که سطح ماده را با قدرت تفکیکی در مقیاس نانو و حتی کمتر از آن یعنی آنگستروم روبش و تصاویر توپوگرافی سطح ماده را تهیه می‌کند.

به کمک میکروسکوپ AFM، می توان ویژگی های ساختاری و فیزیکی مواد نظیر زبری، سختی، اندازه ذرات و همچنین خواص مکانیکی مانند سایش یا خراش و … را بررسی نمود. همچنین، این دستگاه بسته به مدل آن، قابلیت آزمایش در شرایط خلاء و نمونه های مایع را دارا می‌باشد.

مطالب پیشنهادی: آنالیز نانوذرات توسط میکروسکوپ الکترونی TEM – آنالیز نانوذرات توسط میکروسکوپ الکترونی SEM

کاربرد میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ AFM ، محدودیت خاصی روی نوع سطح و محیط آن وجود ندارد. این دستگاه قابلیت بررسی سطوح رسانا یا عایق، نرم یا سخت، منسجم یا پودری، بیولوژیک و آلی یا غیر آلی را دارا می باشد. همچنین مورفولوژی هندسی، توزیع چسبندگی، اصطکاک، ناخالصی سطحی، جنس نقاط مختلف سطح، کشسانی، خواص مغناطیسی، بزرگی پیوندهای شیمیایی، توزیع بارهای الکتریکی سطحی و قطبیت الکتریکی نقاط مختلف قابل اندازه گیری است. این قابلیت ها برای بررسی خصوصیاتی مانند خوردگی، تمیزی، یکنواختی، زبری، چسبندگی، اصطکاک و اندازه به کار گرفته می‌شود.

عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی

مبنای عملکرد در میکروسکوپ AFM، نیروهای کوتاه برد بین اتمی می باشد. در این روش سطح نمونه به وسیله یک سوزن ظریف و باریک (Tip) در حدود ۲ میکرون و غالباً با قطر نوک کمتر از ۱۰ نانومتر، که به یک فلز قابل انعطاف متصل است، روبش می گردد. این فلز قابل انعطاف میکروکانتیلور (Microcantilever) نام دارد که از جنس پیزوالکتریک می‌باشد. بازتاب پرتو لیزری پس از برخورد به کانتیلور منجر به روبش سطح نمونه توسط سوزن در فاصله‌ا‌‌‌‌‌‌‌‌‌ی بسیار نزدیک (در حد آنگستروم) می‌گردد. در این هنگام بین سوزن و نمونه نیروهایی از جمله نیروی واندروالس و نیروی موئینگی وجود دارد که موجب می‌شوند سوزن مطابق توپوگرافی سطح شروع به نوسان کند. مقدار نیروی بین اتمی یا نیروی واندروالس موجود بین نوک سوزن و سطح نمونه، تابع فاصله بین نوک سوزن و سطح است.

مطالب پیشنهادی: تست پراش اشعه ایکس XRD – آنالیز طیف سنجی مادون قرمز FT-IR

با اندازه‌گیری و بررسی انحرافات کانتیلور توسط آشکارساز، امکان تولید تصویر توپوگرافی سطح فراهم می‌گردد. این میکروسکوپ ها دارای دو حالت کاری استاتیکی (تماسی) و دینامیکی (غیر تماسی) می باشند. حالت استاتیکی با دو مد کاری ارتفاع ثابت و نیرو ثابت عمل می‌کند. در این حالت ، کانتیلور در فاصله کم از سطح نمونه قرار دارد که هنگام روبش سوزن روی سطح نمونه، نیروی استاتیکی باعث خم شدن کانتیلور می‌شود. در این حالت نیروی بین کانتیلور و نمونه، نیروی دافعه است. در حالت دینامیکی، نیروی اتمی بین کانتیلور و نمونه، از نوع جاذبه است. در این حالت به علت ماهیت غیر تماسی بودن آن، تخریبی در نمونه های نرم ایجاد نمی‌شود، اما نسبت به حالت استاتیک، سرعت روبش پایینتری دارد.

اجزای اصلی میکروسکوپ نیروی اتمی شامل کانتیلیور، سوزن ، آشکارساز و روبشگر پیزوالکتریک هستند.

• سوزن (Tip or Probe): سوزن در انتهای انبرک (Cantilever) تعبیه شده است و تنها قسمتی است که با نمونه در تماس است. شکل و پارامترهای هندسی سوزن مانند شکل، بلندی، نازکی و تیزی کارایی سوزن و میزان دقت و کیفیت نتایج بدست‌آمده را تعیین می‌کنند.
• کانتیلور (Cantilever):  کانتیلور از موادی با قابلیت ارتجاعی بسیار بالا ساخته می شود و به دلیل خاصیت فنری نسبت به تغییرات نیروهای وارد شده بسیار حساس است.
• لیزر و آشکارساز  (Laser & Photodiode): پرتوی لیزر برای مشخص کردن انحراف سوزن به کار می رود. بازتاب پرتو لیزری پس از برخورد به کانتیلور منجر به روبش سطح نمونه توسط سوزن در فاصله‌ا‌‌‌‌‌‌‌‌‌ی بسیار نزدیک (در حد آنگستروم) می‌گردد. این تغییرات توسط یک آشکارساز (دیود نوری) حساس به موقعیت (position-sensitive photo diode)ثبت می شود در نهایت برای ردیابی تغییرات و حرکات سوزن به کار می رود.
• روبشگر پیزوالکتریک (Piezoelectric Scanner: یکی از نکات کلیدی در میکروسکوپ سوزنی روبشی، روبش سطح نمونه با قدرت تفکیک‌پذیری بسیار بالا (در حدود یک آنگستروم) توسط مواد پیزوالکتریک می‌باشد. مواد پیزو الکتریک قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و انرژی الکتریکی به مکانیکی را دارند.

مزایا میکروسکوپ نیروی اتمی

• تهیه تصاویر سه بعدی در حد چند نانومتر و امکان بررسی توپوگرافی سطح در حوزه های مختلف علوم و فناوری نانو
• برخلاف میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) که تنها می‌تواند جهت مطالعه سطوحی که از لحاظ الکتریکی درجاتی از رسانایی دارند، استفاده شود، میکروسکوپ اتمی جهت مطالعه هر نوع سطحی از جمله انواع مواد رسانا، نیمه رسانا و نارسانا انواع پلیمرها، نانوذرات و همچنین نانوالیاف ها و نانو فیبرها مناسب است.امکان دستکاری اتمی
• تهیه تصویر با قدرت تفکیک بالا
• عملکرد ساده
• عدم نیاز به آماده سازی پیچیده نمونه (مانند روش های آماده سازی نمونه در میکروسکوپ الکترونی)
• قابلیت انجام آزمایش در شرایط خلاء و محیط مایع

معایب میکروسکوپ نیروی اتمی

• وابستگی اطلاعات به دست آمده به نوع نوک میکروسکوپ
• امکان آسیب دیدن نوک میکروسکوپ یا نمونه

مطالب مرتبط: آنالیز نانوذرات توسط میکروسکوپ الکترونی SEM – تست DLS در بررسی اندازه و سایز نانوذرات
خدمات مرتبط: خدمات علمی پژوهشی در حوزه علم بیوتکنولوژی – تولید نانو ذرات و نانوساختارها با رویکرد پژوهشی و درمانی