میکروسکوپ نیروی اتمی

همانگونه که در پیش گفتار این کتاب گفته شد از دید فیزیکی تمام جنبه های میکرو و نانوی پدیده ها ناشی از نیروهای میان اتمی شناخته شده هستند. همچنین به لحاظ نظری هر ساختار اتمی مولکولی که از قوانین بنیادی فیزیک و شیمی پیروی می کند، امکان پذیر است. از جمله این پدیده ها، اصطکاک است. پرسشی که در ذهن شکل می گیرداین است که چرا با وجود مفهوم نیرو در زمان نیوتن و همچنین شناخت نیروهای میان اتمی در آغاز سده بیستم و فرمول بندی  نظریه مکانیک کوانتمی، تا یکی دو دهه پیش مطالعات و بررسی های جدی روی اصطکاک در ابعاد نانو صورت نگرفته است. پاسخ را دستگاههای جدید که تولدشان را وام دار پیشرفت های همه جانبه دانش کامپیوتری و نیز صنعت الکترونیک هستند بشر را توانا به اندازه گیری ها و مشاهدات اتمی ساخته اند. امروزه میکروسکوپ های گوناگونی با ساز و کارهای گوناگون در خدمت علوم و مهندسی قرار گرفته اند. یکی از رایج ترین آنها میکروسکوپ نیروی اتمی است که توانا به اندازه گیری (مشاهده نامستقیم) طول های نانومتری و کمتر از آن است. این میکروسکوپ، دارای اجزای اصلی "انبرک و نوک" است.

جنس انبرک معمولا از سیلیسیم و جنس نوک معمولا از الماس( شامل تعدادی اتم کربن) است. برای اینکه میکروسکوپ نیروی اتمی بتواند برجستگی ها و فرورفتگی ها را در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک انبرک ظرافت اتمی داشته باشد. از آنجا که تصاویر مربوط به اندازه های اتمی روی یک سطح با چشم نامسلح دیدنی نیست، به کمک ابزارهای پیشرفته، حرکات عرضی لمس شده توسط انبرک و نوک میکروسکوپ را به تصاویر ویدیویی تبدیل می کنند تا امکانن دیدن آرایش اتم های سطح، در صفحه کامپیوتر امکان پذیر باشد. کل فرآیند "جاروب کردن سطح" به وسیله همان انبرک نوک دار صورت می گیرد. انبرک به راحتی در پستی و بلندی ها بالا و  پایین می رود و نوک آن هم به بخشی متصل است که به جابجایی عرض انبرک بسیار حساس است و تغییر فاصله ها را ثبت کرده و به نشانه هایی تبدیل می کند که برای کامپیوتر فهمیدنی باشد. نشانه های گفته شده سیگنال نام دارند و توسط کامپیوتر فهمیدنی باشد. نشانه های گفته شده سیگنال نام دارند و توسط کامپیوتر پردازش می شوند تا چگونگی قرارگیری اتم ها در کنار هم، روی صفحه نمایشگر، نشان داده شود.

این نوع دیدن توسط کامپیوتر را دیدن نامستقیم می گوییم. در میکروسکوپ های نوری معمولی آزمایشگاه های زیست شناسی، دیدن مستقیم است. شکل زیر نمونه ای از سطحی با سه نوع اتم را که توسط میکروسکوپ نیروی اتمی تهیه شده است را نشان می دهد.کره های آّبی اتم های قلع، سبز اتم های سرب  و کره های قرمز (کوچک) اتم های سیلیکون هستند. پرسش مطرح این است که چگونه سه گونه اتم مختلف در این شکل توسط نوک میکروسکوپ تمیز داده شده اند.چون نیروی میان اتم های گوناگون، متفاوت است( از نظر فیزیک کوآنتمی، ساختار الکترونی اتمها متفاوت است) روشن است که نیروی میان اتم های گوناگون با نوک و تصویر آشکار شده در آشکارساز متفاوت خواهد بود.

شبیه سازی اصطکاک در مقیاس نانو

اکنون تصور کنیم نوک میکروسکوپ نیروی اتمی را در نزدیکی سطح روی آن حرکت دهیم.کل سطح به اتم های نوک، نیرویی وارد می کند که بسته به فاصله تا سطح می تواند ربایشی یا رانشی باشد. در بعضی فاصله ها، نیروها جلوی حرکت نوک روی سطح را می گیرند. این نیروی سطح بر اتم های نوک، تجلی نیروی اصطکاک در ابعاد اتمی و نانومتری است. امروزه با پیدایش نسل های نوین میکروسکوپهای نیروی اتمی و طراحی های بسیار حساس فنرهای خاص روی انبرک ها، دانشمندان توانا به اندازه گیری این نیروها هستند.

مرتبه بزرگی این نیروها، نانونیوتن است و منشا عمده آنها برهم کنش های اتمی واندروالسی میان اتم های سطح و نوک است. توجه کنیم که از نظر فیزیک کلاسیک( جایی که مکان الکترون مشخص است) نیروهای میان اتمی معنادار هستند ولی از دید فیزیک کوانتمی (جایی که الکترون محل مشخصی ندارد) نیروهای میان اتمی به گونه ای دیگر تعبیر می شوند(هم پوشانی ابر الکترونی پیرامون اتم ها).

شبیه سازی کامپیوتری به عنوان آزمایشگاهی مجازی در دو دهه گذشته ساده تر از آزمایش واقعی توانا به بررسی های نتایج این نیروهای میان اتمی هستند. شکل زیر نشان می دهد که نوک در چه فواصلی نیروی رانشی  و در چه فواصلی نیروی کششی از سطح زیرین دریافت می کند.

نویسنده: مهدی نیک عمل