原子力显微镜的技术进步

班加罗尔R Sri Muthu Mrinalini&G R Jayanth IISc

随着纳米粒子的应用越来越多，为了更好地理解它们的性质和行为，人们越来越需要“看到”和“感受”它们。几十年来，电子显微镜一直被用来观察原子大小的粒子。然而，这些天，原子力显微镜(AFM)越来越受欢迎，因为它们比电子显微镜有一定的优势。

与电子显微镜不同的是，电子显微镜发送电子束来“照亮”被观察的物体，从而“看到”它，原子力显微镜使用一根尺寸为几纳米量级的非常锋利的针来“感觉”物体并发展其几何形状。AFM采用盲人的方法来感知物体的形状，用手指（针）触摸和感觉它来理解它的样子。只是，它做得更精确。人类的手指无法绕过每一个物体的所有曲线和缝隙，但AFM的针可以。通过感知与物体相互作用过程中机械力的变化，并随后控制力，它能够非常准确地“看到”小粒子的样子以及它们的确切结构。

AFMs与电子显微镜相比还有另一大优势。它们不一定需要真空条件来操作。AFMs可以在空气中工作，也可以在液体介质中工作。

但是AFMs的针头有一个问题。它们的尖端非常锋利，经常变钝或断裂，需要更换。目前AFMs的建造方式，更换尖端并不是一个非常顺利的过程。尖端连接到一个弹簧状结构上，该结构集成了传感器来测量机械力。现在，更换针尖意味着更换针和弹簧。它是手动完成的，更换后需要等待大约半个小时才能恢复操作。在工业企业中，这是一个很大的麻烦。

市场上出现了允许自动更换针头的新仪器。但对于一直使用旧AFMs的行业来说，购买全新的仪器可能是一件昂贵的事情。

正是在这一领域，我们的工作可以具有某种意义。我们开发了一种不用更换弹簧就能更换针的方法。更重要的是，现有的AFMs可以用这种技术进行改造，因此不必购买新的仪器。仅此一项就可以潜在地将自动替换的成本降低100倍。

我们所做的是在弹簧和针之间引入一个微夹持器。这个微夹持器实际上是一个微小的液滴。它的体积约为几微微升（10-12升）。它的作用就像一种粘合剂，针头可以粘在上面。液滴似乎不是将任何东西牢牢固定在适当位置的理想粘合剂，但在微尺度下作用的力的相对大小与我们所经历的非常不同。在这个尺度下，液体的表面张力非常强，足以容纳针。

我们还开发了一种将针从微夹持器上分离的机制，而不会干扰仪器的任何其他部分。这种将针与微夹持器连接和分离的能力提供了一种不用更换弹簧就可以更换针的有效方法。

我们不是第一个尝试在AFM中更换针而不干扰其其他部分的人。但我们是唯一证明它可以在环境条件下完成的人--其他人只能在真空中实现--也可以改装到旧的仪器上。更换过程仍然是人工的，我们目前正在努力实现自动化。