Исследователи из Техасского университета в Далласе создали крошечный вариант атомно-силового микроскопа (Atomic Force Microscope, AFM), размер чипа которого соответствует размеру монетки небольшого достоинства. И, помимо сокращения размеров, ценник этого устройства, используемого для определений свойств разных материалов, также претерпел кардинальные изменения, сделав его более доступным даже для не очень крупных исследовательских и учебных лабораторий.
"Стандартный атомно-силовой микроскоп представляет собой большой и сложный инструмент с массой механических деталей, со сложной электроникой, с многочисленными цепями контроля и обратных связей, и с высококачественными малошумящими усилителями" - рассказывает доктор Реза Мохеимани (Dr. Reza Moheimani), - "нам же удалось все это минимизировать до максимально возможной степени и поместить все на поверхность одного маленького чипа".
Основным элементом конструкции традиционного атомно-силового микроскопа является подвижная консоль с наконечником, заточенным до атомарной толщины. Этот наконечник движется над поверхностью исследуемого образца, сканируя ее линия за линией. Силы взаимодействия между атомами материала образца и наконечника заставляют консоль перемещаться вверх или вниз, и эти перемещения служат в качестве исходных данных для формирования изображения, разрешающая способность которого находится на уровне отдельных молекул или групп атомов.
Обычные атомно-силовые микроскопы используют два основных принципа формирования изображения. Первым является метод подержания постоянной силы взаимодействия между образцом и наконечником, а вторым - метод поддержания постоянного расстояния. В обоих случаях сигналом, на базе которого формируется изображение, является сигнал обратной связи, служащей для поддержания или постоянной силы или постоянного расстояния.
В новом атомно-силовом микроскопе на чипе использована комбинация двух этих методов. Консоль с наконечником и основание с образцом постоянно совершают колебания друг относительно друга. Амплитуда колебаний поддерживается таким образом, чтобы на их минимуме наконечник касался поверхности образца, а сигналом, на базе которого формируется изображение, как раз и является вышеупомянутая амплитуда.
Создание миниатюрного атомно-силового микроскопа стало возможным, благодаря развитию современных MEMS-технологий, технологий создания микроэлектромеханических систем. Сейчас такие системы работают буквально в каждом смартфоне и планшетном компьютере, выступая в роли активных элементов микрофонов, твердотельных акселерометров и гироскопов.
Чип с MEMS-системой имеет площадь порядка одного квадратного сантиметра. Он установлен на печатной плате, размером с половину кредитной карты, на которой находятся электронные схемы управления, усилители и некоторые другие миниатюризированные компоненты микроскопа.
"Вариант традиционного атомно-силового микроскопа для учебных целей стоит сейчас порядка 30-40 тысяч долларов. Полноценный лабораторный вариант устройства имеет ценник уже в половину миллиона долларов" - рассказывает Реза Мохеимани, - "Созданное нами MEMS-устройство может изготавливаться партиями в тысячи штук по цене, не более 10 долларов за один экземпляр. А стоимость законченной системы может составить от одной до нескольких тысяч долларов в зависимости от ее возможностей".
"Мы надеемся, что проведенное нами снижение размеров устройства и уменьшение его стоимости позволят использовать его даже небольшим лабораториям с ограниченным бюджетом. А это, в свою очередь, должно стать одним из толчков, который сможет продвинуть современную науку вперед достаточно далеко вперед".