AFM-Pioniere Mit Kavli-Preis In Nanowissenschaft Geehrt

Nach 30 Jahren und mehr als 9.000 Zitationen wurden die Erfinder des Rasterkraftmikroskops (AFM) mit dem Kavli-Preis in Nanowissenschaft ausgezeichnet.

Gerd Binnig und Christoph Gerber in den 1990ern.

Der Kavli-Preis teilen sich Gerd Binnig, Christoph Gerber und Calvin Quate. Binnig und Gerber waren zuvor bei IBM Research – Zürich tätig, während Quate an der Stanford University war. Während eines Sabbaticals war Binnig in Stanford und Gerber bei IBM Research in San Jose (heute Almaden), was enge Kollaboration förderte.

Die drei Wissenschaftler wurden geehrt „für die Erfindung und Realisierung der Rasterkraftmikroskopie, einen Durchbruch in Messtechnologie und Nanoskulptur, der weiterhin transformativen Impact auf Nanowissenschaft und Technologie hat.“

Das AFM wurde erstmals in der 3. März 1986 Ausgabe von Physical Review Letters unter dem knappen Titel „Atomic Force Microscope“ beschrieben. Das Gerät kombinierte Prinzipien von Rastertunnelmikroskopie (STM) mit einem Stift-Profilometer und ermöglichte atomare Auflösung.

Binnig, der auch das STM mit dem späten Heinrich Rohrer co-erfand, erhielt 1986 den Nobelpreis für Physik für jene Arbeit. Er führte die AFM-Idee später auf einen subconscious Insight zurück, den er auf einer Couch liegend hatte, wie in einem 2004 Interview in IEEE Spectrum Magazine notiert.

Während seiner Zeit in Stanford rekrutierte Binnig die Expertise von Calvin Quate und seinem IBM-Kollegen Christoph Gerber – der zuvor am STM kollaborierte – um das AFM von Konzept zur Realität zu bringen.

In einem kürzlichen Interview mit Physics World zum 30. Jubiläum reflektierte Gerber über die Evolution der Erfindung:

„Gerd schlug vor, dass wir die interaktiven Kräfte zwischen Spitze und Probe messen könnten, statt des Tunnelstroms, und dass ein Cantilever dies tun könnte. Wir machten eine grobe Berechnung und realisierten, dass atomare Auflösung Detektion von Kräften im Bereich 10^–10 N oder sogar 10^–11 N erforderte!“

Die Fähigkeit, solch winzige Kräfte zu sensen, hing an zwei Schlüsselmaterialien: Gold und Diamant. Gerber erklärte:

„Das Herz des Geräts war eine sehr dünne Goldfolie, nur wenige Mikrometer dick, als Cantilever genutzt. Wir befestigten ein Fragment eines zerkleinerten Diamanten – ursprünglich von einem Plattenspieler-Stylus – am Cantilever als Spitze.“

Während atomare Auflösung nicht sofort erreicht wurde, war das Team nah genug, um ein Paper einzureichen. Innerhalb eines Jahres entwickelten sie einen batch-fabrizierten Silicium-Cantilever, der die ersten atomaren Auflösungsbilder auf Graphit-Oberfläche produzierte.

Nach diesem Meilenstein trieben die drei AFM-Technologie in neue Richtungen, besonders in Cantilever-Design und Applikation.

Binnig pionierte einen massiv parallelen Probe für Nanostrukturierung, gezielt auf nicht-flüchtige Memory-Entwicklung. Seine Arbeit spornte eine Welle von Innovationen in Nanopatterning-Techniken an.

Gerber entwickelte eine „künstliche Nase“ mittels Cantilever-Array, erzielte Durchbrüche in chemischer, biochemischer und medizinischer Diagnostik. Er führt diese Forschung mit seiner Gruppe an der Universität Basel, Schweiz, fort.

Quate fokussierte auf mikromechanische Cantilever für Sensing-Applikationen in Drug Discovery, Food Diagnostics, Materialcharakterisierung und Explosivstoffdetektion.

Über die vergangenen drei Jahrzehnte haben AFM-Instrumente sich dramatisch weiterentwickelt, Sensitivität und Auflösung verbessert und sich in diverse Felder expandiert.

2008 nutzten Markus Ternes und Kollegen bei IBM Research – Almaden das AFM, um einzelne Atome über eine Oberfläche zu schieben und die involvierten Kräfte direkt zu messen.

Im folgenden Jahr modifizierte ein Team von IBM Research – Zürich, geleitet von Gerhard Meyer und Leo Gross, die AFM-Spitze mit einem einzelnen Kohlenmonoxid-Molekül. Diese diatomische Spitze, weniger als ein Nanometer lang, lieferte Bilder, die die interne chemische Struktur einzelner Moleküle auflösten – chemische Bindungen in Echtzeit.

Gross bemerkte: „Ein Hauptdifferenzierer unserer Technik ist, dass wir einzelne Moleküle messen. Ein weiterer Vorteil ist, dass wir die Spitze nutzen können, um chemische Reaktionen einzelner Moleküle zu initiieren und Produkte auf atomarer Skala zu tracken.“

Meyer, Gross und Bruno Schuler veröffentlichten kürzlich einen Artikel zum 30. AFM-Jubiläum in Physics World, stating:

„High-Resolution AFM bietet Opportunities, physikalische, chemische und biologische Prozesse auf Ebene einzelner Moleküle zu verstehen und zu kontrollieren. Laufende Verbesserungen in Kraftsensitivität, zeitlicher und räumlicher Auflösung werden die Frontiers der Nanowissenschaft weiter vorantreiben. Vielleicht könnte das AFM in weiteren 30 Jahren zu einem atomaren Assembler evolvieren, wie Richard Feynman in seinem 1959 Talk „There's Plenty of Room at the Bottom“ envisionierte – ein Tool, das arbitrary, 3D atomar präzise Devices, Metamaterialien und Moleküle bauen könnte.“

„Ungeachtet, besteht kein Zweifel, dass das AFM weiterhin Entdeckungen von fundamentaler Physik bis Chemie und Life Sciences antreiben wird, und Natur's enigmatischste Mechanismen auf Nanometerskala und darüber enträtselt.“

Dies ist der zweite Kavli-Preis, der an einen IBM-Wissenschaftler ging. Don Eigler erhielt 2010 den Kavli-Preis in Nanowissenschaft für Entwicklung von Atommanipulation und Elucidation von Quantenphänomenen mit präzise kontrollierten atomaren und molekularen Anordnungen auf Oberflächen.

Die Kavli-Preise ehren Wissenschaftler, die Fortschritte in unserem Verständnis von Existenz an ihren größten, kleinsten und komplexesten Skalen pionieren. Alle zwei Jahre verliehen in Astrophysik, Nanowissenschaft und Neurowissenschaft, trägt jeder Preis 1 Million Dollar (US). Laureates werden von Komitees ausgewählt, deren Mitglieder von sechs der weltweit renommiertesten Wissenschaftsgesellschaften und Akademien empfohlen werden.