High Speed Contact-Resonance Tracking using Brownian motion

Stel je een wereld voor waarin de kleinste details van een oppervlak van een materiaal niet alleen worden gezien, maar ook gevoeld. Wetenschappers gebruiken al lang een instrument genaamd een atomaire krachtmicroscoop om precies dat te doen. Het werkt door een piepkleine, naaldvormige punt over een oppervlak te slepen, vergelijkbaar met een blinde persoon die braille leest, maar met een gevoeligheid die zo fijn is dat het de stijfheid van een enkel molecuul kan detecteren. Om dit instrument nog krachtiger te maken, laten onderzoekers de punt vaak ritmisch tikken op een specifieke frequentie, een frequentie waarbij de punt het gemakkelijkst trilt. Dit wordt resonantie genoemd. Door te luisteren naar hoe de punt trilt, kunnen ze in kaart brengen hoe hard of zacht verschillende delen van een monster zijn, of hoe ze reageren op elektriciteit. Er is echter een addertje onder het gras. De gebruikelijke manier om de punt te laten trillen, houdt in dat de gehele basis van de microscoop wordt geschud. Dit creëert veel achtergrondruis, zoals proberen een fluistering te horen in een drukke kamer, wat de zeer gedetailleerde informatie die wetenschappers proberen te vinden, kan verbergen.

Een team van onderzoekers bij Asylum Research, onderdeel van Oxford Instruments, heeft een nieuwe manier ontwikkeld om naar deze minuscule trillingen te luisteren die de ruis wegfiltert. Ze noemen hun methode iDART. In plaats van de hele machine te schudden, gebruiken ze de natuurlijke, willekeurige trillingen van de punt veroorzaakt door warmte in de lucht — bekend als Brownse beweging — om het perfecte ritme te identificeren en de volgfrequenties te definiëren. Zodra het ritme is gevonden, gebruiken ze een gecontroleerde actieve aandrijving om de signaalsterkte te leveren die vereist is voor snelle beeldvorming pixel voor pixel. Deze aanpak stelt hen in staat om gedetailleerde kaarten van de mechanische eigenschappen van een materiaal te maken zonder de lompere interferentie van traditionele methoden. Het resultaat is een helderder, nauwkeuriger beeld van de nanoschaalwereld, waarbij kenmerken die voorheen werden verborgen door de ruis van de meting zelf, nu zichtbaar worden.

De onderzoekers testten deze nieuwe methode op een monster van een materiaal genaamd PZT, dat bekend staat om het veranderen van vorm wanneer er elektriciteit wordt toegepast. Ze pasten verschillende niveaus van elektrische spanning toe op het monster, variërend van een sterk signaal tot helemaal geen signaal. Wanneer ze een sterke spanning gebruikten, toonden de beelden duidelijke patronen, met heldere en donkere gebieden die verschillende richtingen van elektrische polarisatie vertegenwoordigen. Naarmate ze de spanning verlaagden, vervaagde de helderheid van deze patronen en werden de beelden korreliger, totdat ze er bij een volledig verwijderde spanning uitzagen als willekeurige statische ruis. Dit is precies wat men zou verwachten: zonder een elektrische duw stopt de punt met het gecoördineerd bewegen, en gaat de fasecontrast verloren doordat de signaal-ruisverhouding daalt. De meest verrassende ontdekking was echter dat de kaart van de stijfheid van het materiaal, die wordt bepaald door de frequentie van de trilling, ruimtelijk reproduceerbaar bleef gedurende het gehele proces. Zelfs toen de elektrische duw weg was en de punt alleen bewoog door willekeurige warmte, konden de wetenschappers nog steeds exact dezelfde stijfheidspatronen terugvinden. Dit bewees dat de stijfheidsinformatie geen artefact was van de elektrische aandrijving, maar een echte eigenschap van het materiaal die direct uit de natuurlijke, thermische beweging van de punt gelezen kon worden.

Om te waarborgen dat dit resultaat niet specifiek was voor elektrische signalen, herhaalde het team het experiment met licht in plaats van elektriciteit. Ze gebruikten een laser om de basis van de punt te verhitten, waardoor de punt ging trillen, en verminderden vervolgens geleidelijk het vermogen van die laser. Net als bij de elektrische test vervaagden de heldere, scherpe beelden van de structuur van het monster naarmeloos naarmate het laservermogen daalde, totdat er alleen nog maar willekeurige ruis overbleef. Toch bleef de kaart van de contactresonantiefrequentie, net als bij de elektrische test, stabiel. De cirkelvormige kenmerken van het monster, die bestonden uit koolstofvezels ingebed in een hard plastic, bleven duidelijk en meetbaar, zelfs toen de laser volledig werd uitgeschakeld. Dit bevestigde dat de techniek in staat is om betekenvolle mechanische gegevens te extraheren zonder dat er een externe kracht nodig is om de punt aan te drijven, waarbij gebruik wordt gemaakt van de inherente energie van de omgeving.

De kracht van deze nieuwe methode werd verder aangetoond door het scannen van een driehoekig deel van een cantilever, een minuscuul balkje dat in deze microscopen wordt gebruikt. Terwijl de punt over de balk bewoog, veranderde de stijfheid drastisch omdat de balk breder en dikker werd. In slechts enkele tientallen micrometers verschoof de trillingsfrequentie van ongeveer 75 kilohertz naar 325 kilohertz, een meer dan verviervoudige toename. Traditionele methoden hebben vaak moeite om een zo breed bereik aan frequenties te volgen zonder het signaal te verliezen, maar dit nieuwe systeem volgde de verandering soepel en continu. De resulterende kaart toonde een vloeiend gradiënt van stijfheid dat overeenkwam met de fysieke vorm van de balk, wat bewees dat het systeem in staat is om grote variaties in mechanische eigenschappen te verwerken zonder in de war te raken.

Door een zeer gevoelige detector te combineren die de werkelijke beweging van de punt meet met een slim volgingssysteem, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om de mechanische wereld met ongekende helderheid te zien. De sleutel was het besef dat de natuurlijke, willekeurige schokken van de punt alle noodzakelijke informatie bevatten om de juiste trillingsfrequentie te identificeren. Zodra deze frequentie is gevonden, wordt een gecontroleerde aandrijving gebruikt om een hoogwaardig beeld te creëren. Dit betekent dat wetenschappers nu delicate materialen kunnen bestuderen zonder het risico te lopen ze te veranderen met sterke elektrische of mechanische krachten. De methode opent de deur naar het observeren van de ware, ongestoorde natuur van oppervlakken, van de kleine domeinen in elektronische materialen tot de complexe structuren van biologische monsters, terwijl het meetproces even zacht blijft als de natuurlijke wereld zelf.