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AFM-Pioniere mit Kavli-Preis ausgezeichnet

30 Jahre und 9.000 Zitate später wurden die Erfinder des Atomic Force Microscope (AFM) heute mit dem Kavli-Preis für Nanowissenschaften ausgezeichnet.

Gerd Binnig und Christoph Gerber in den 1990er Jahren.

Den Preis teilen sich Gerd Binnig, Christoph Gerber und Calvin Quate. Binnig und Gerber waren zuvor bei IBM Research – Zürich und haben während eines Sabbaticals mit Quate von der Stanford University zusammengearbeitet (Binnig in Stanford, Gerber bei IBM Research in San Jose, jetzt Almaden).

Die drei Wissenschaftler erhalten den Preis „für die Erfindung und Realisierung der Rasterkraftmikroskopie, ein Durchbruch in der Messtechnik und Nanoskulptur, der die Nanowissenschaft und -technologie weiterhin verändern wird .”

Das AFM wurde erstmals am 3. März 1986 im Peer-Review-Journal Physical Review Letters unter dem einfachen Titel „Atomic Force Microscope“ veröffentlicht. Die Erfindung kombiniert die Prinzipien der Rastertunnelmikroskopie (STM) und des Taststift-Profilometers, um die atomare Auflösung zu detektieren. Binnig hat das STM einige Jahre zuvor zusammen mit dem verstorbenen Heinrich Rohrer erfunden und beide erhielten 1986 den Nobelpreis für Physik.

Binnig, der allein auf dem ersten Patent gelistet ist, wurde im IEEE Spectrum Magazine zitiert 2004 sagte er, dass ihm die Idee zum AFM unbewusst auf der Couch lag. Während seiner Zeit in Stanford beteiligte er Calvin Quate und seinen IBM-Kollegen Christoph Gerber, mit dem er bereits bei der Entwicklung des STM zusammengearbeitet hatte, und realisierten gemeinsam das AFM.

Gerber, der kürzlich im Magazin Physics World zum 30-jährigen Jubiläum des AFM interviewt wurde, kommentierte die Entwicklung der Erfindung:

„Gerd schlug vor, dass es möglich sein könnte, anstelle des Stroms die interaktiven Kräfte zwischen Spitze und Probe zu messen, und dass wir dies vielleicht mit einem Cantilever tun könnten. Wir haben eine grobe Berechnung durchgeführt und festgestellt, dass wir in der Lage sein müssen, Kräfte im Bereich von 10 –10 . zu erkennen, um eine atomare Auflösung zu erhalten N oder sogar 10 –11  N!

Das Geheimnis zur Messung der winzigen Atomkraft wurden von zwei kostbaren Elementen geliefert:Gold und Diamant. Gerber-Kommentare in Physics World:

„Das Herzstück des Geräts war eine sehr dünne Goldfolie von nur wenigen Mikrometern Dicke, die als Ausleger diente. Wir nahmen ein Fragment eines zerkleinerten Diamanten, der mit der Nadel eines Plattenspielers gewonnen wurde, und klebten es als Spitze auf den Cantilever.“

„Wir haben nicht sofort die atomare Auflösung erreicht, aber wir waren nahe genug, um eine Zeitschriftenarbeit einzureichen. Innerhalb eines Jahres hatten wir ein fortschrittlicheres Instrument, das auf einem seriengefertigten Silizium-Cantilever basiert und zum ersten Mal atomare Auflösung auf einer Graphitoberfläche zeigte.“

Nach ihrer bahnbrechenden Arbeit haben die drei die AFM-Technologie in mehrere neue Richtungen getrieben, insbesondere in Bezug auf Cantilever-Design und Anwendungen.

Binnig hat das Cantilever-Design angepasst, um eine massiv parallele Sonde für die Nanostrukturierung zu schaffen, die auf die Entwicklung nichtflüchtiger Speicher abzielt. Diese Arbeit hat eine Reihe von Innovationen hervorgebracht, darunter Nanostrukturierungstechniken.

Bei IBM entwickelte Gerber eine „künstliche Nase“ mit einem Cantilever-Array, die sich im Bereich chemischer und biochemischer Reaktionen sowie in medizinischen Anwendungen bewährt hat. Er setzt diese Forschung heute in seiner Forschungsgruppe in Basel, Schweiz, fort.

Quate hat sich auf mikromechanische Cantilever für Sensoranwendungen für die Wirkstoffforschung, Lebensmitteldiagnostik, Materialcharakterisierung und Sprengstoffdetektion konzentriert.

In den letzten 30 Jahren haben AFM-Instrumente eine enorme Entwicklung in Bezug auf Empfindlichkeit, Auflösung und Anwendung erfahren, die sich in verschiedene Bereiche ausgebreitet hat.

Im Jahr 2008 nutzten beispielsweise Markus Ternes und Mitarbeiter von IBM Research – Almaden dieses Detektionsschema, um einzelne Atome mit einem AFM über eine Oberfläche zu gleiten und auch die beteiligten Kräfte direkt zu messen.

Ein Jahr später modifiziert ein Team von IBM-Wissenschaftlern in Zürich unter der Leitung von Gerhard Meyer und Leo Gross die Spitze ihres AFM mit einem einzigen Kohlenmonoxid-Molekül. Dieses zweiatomige Molekül, das weniger als einen Nanometer lang ist, erzeugte Bilder mit einer so hohen Auflösung, dass die innere chemische Struktur eines einzelnen Moleküls aufgelöst werden konnte (chemische Bindungen).

Gross kommentiert:„Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal unserer Technik gegenüber anderen etablierten Techniken besteht darin, dass wir einzelne Moleküle messen. Ein weiterer Vorteil ist, dass wir mit der Spitze chemische Reaktionen einzelner Moleküle initiieren und die Reaktionen verfolgen und ihre Produkte auf atomarer Ebene untersuchen können.“

Meyer und Gross haben kürzlich mit ihrem Kollegen Bruno Schuler einen Artikel zum 30-jährigen Jubiläum des AFM in der Physikwelt veröffentlicht:

„Wichtig ist, dass ein hochauflösendes AFM Möglichkeiten bietet, physikalische, chemische und biologische Prozesse auf der Ebene einzelner Moleküle zu verstehen und zu kontrollieren. Laufende Verbesserungen der Kraftempfindlichkeit sowie der zeitlichen und räumlichen Auflösung werden die Grenzen der Nanowissenschaften weiter vorantreiben. Vielleicht könnte das AFM in weiteren 30 Jahren weiter verbessert werden in Richtung eines atomaren Assemblers, wie Richard Feynman 1959 in seinem berühmten Vortrag „There's plenty of space at the bottom“ ansprach:ein Werkzeug, das beliebige, atomar präzise 3D-Geräte, Metamaterialien und Moleküle bauen könnte .”

"Auf jeden Fall wird das AFM weiterhin Entdeckungen von der Grundlagenphysik bis hin zur Chemie und den Biowissenschaften fördern und die rätselhaftesten Mechanismen der Natur im Nanometerbereich und darüber hinaus enträtseln."

Dies ist das zweite Mal, dass IBM-Wissenschaftler mit dem Kavli-Preis ausgezeichnet werden. Don Eigler wurde 2010 mit dem Kavli-Preis für Nanowissenschaften für die Entwicklung der Atommanipulation und die Aufklärung von Quantenphänomenen mit präzise kontrollierten atomaren und molekularen Anordnungen auf Oberflächen ausgezeichnet.

Die Kavli-Preise würdigen Wissenschaftler für bahnbrechende Fortschritte in unserem Verständnis der Existenz in ihren größten, kleinsten und komplexesten Maßstäben. Die drei internationalen Preise werden alle zwei Jahre in den Bereichen Astrophysik, Nanowissenschaften und Neurowissenschaften vergeben und sind mit jeweils einer Million US-Dollar dotiert. Die Preisträger werden von Ausschüssen ausgewählt, deren Mitglieder von sechs der renommiertesten Wissenschaftsgesellschaften und -akademien der Welt empfohlen werden.


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