Espectroscopia de fuerza de modulación de frecuencia. a, Diagrama de flujo de una medición mal planteada. B, Trama maestra de leyes prácticas de fuerza de diferentes formas (cajas blancas) y su posición en el espacio de fase de la mala postura. C, Núcleo inverso, M¯ (x) =M (x) / (ka2) M¯ (x) =M (x) / (ka2), para la ecuación (2). D, Comportamiento mal planteado de la ley de fuerza escalonada; z0 es la posición de la discontinuidad del escalón. Crédito: Nanotecnología de la naturaleza (2018). DOI:10.1038 / s41565-018-0277-x
Los investigadores han descubierto un 'punto ciego' en la microscopía de fuerza atómica, una poderosa herramienta capaz de medir la fuerza entre dos átomos, obtener imágenes de la estructura de las células individuales y el movimiento de las biomoléculas.
Los átomos miden alrededor de una décima parte de un nanómetro, o un millón de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.
El nuevo estudio muestra que la precisión de las mediciones de fuerza atómica depende de qué leyes de fuerza estén en vigor.
Las leyes de fuerza que residen en el "punto ciego" recién descubierto, que son comunes en la naturaleza, pueden conducir a resultados incorrectos. El estudio también detalla un nuevo método matemático para ver y evitar este punto ciego, salvaguardar las mediciones de fuerza atómica de resultados inexactos.
Profesor John Sader, de la Escuela de Matemáticas y Estadística de la Universidad de Melbourne y el Centro de Excelencia en Ciencias de la Excitación del Consejo de Investigación de Australia, dirigió la investigación, con el investigador de la Universidad de Melbourne Barry Hughes y Ferdinand Huber y Franz Giessibl de la Universidad de Regensburg en Alemania. El trabajo se publica hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza .
"El microscopio de fuerza atómica (AFM) proporciona una resolución exquisita a escala atómica y molecular. También tiene la notable capacidad de medir la fuerza entre dos átomos, "Dijo el profesor Sader.
AFM usa una pequeña viga en voladizo (cuya longitud es el ancho de un cabello humano) para sentir la forma de una superficie y sentir las fuerzas que encuentra, de la misma manera que funciona el lápiz óptico o la aguja de un tocadiscos. con una punta afilada en el extremo del voladizo que interactúa con la superficie.
Para permitir mediciones precisas a escala atómica, el voladizo (y su punta) oscila "dinámicamente" hacia arriba y hacia abajo a su frecuencia de resonancia natural, ligeramente alejándose de la superficie. La fuerza real experimentada por la punta se recupera a partir de esta frecuencia medida.
Los investigadores ahora pueden demostrar que esta medición dinámica desdibuja la fuerza de escala atómica, eliminar información que pueda hacer que la recuperación de la fuerza real sea problemática, creando un "punto ciego" efectivo.
"La fuerza recuperada puede no parecerse en nada a la fuerza verdadera, "El profesor Sader dijo." Es notable que este tema está completamente ausente para algunas leyes de fuerza atómica, mientras que para otros crea un problema real.
"Las mediciones de fuerza dinámica observan efectivamente la fuerza atómica a través de una lente borrosa. Entonces se necesita un algoritmo matemático para convertir esto en una fuerza real".
En 2003, El profesor Sader y un colega del Trinity College de Dublín desarrollaron uno de estos algoritmos, llamado método Sader-Jarvis, que se usa ampliamente para recuperar la fuerza de escala atómica a partir de esta medición de frecuencia borrosa.
"No había indicios de que este desenfoque pudiera ser un problema desde que se inventó la técnica AFM dinámica en 1992. Muchos investigadores independientes la han explorado y han demostrado que todas las leyes de fuerza estándar dan resultados muy sólidos. "Dijo el profesor Sader.
"Luego, el año pasado, Los colaboradores y coautores de este estudio de la Universidad de Regensburg vieron por primera vez una anomalía en sus mediciones y me la transmitieron. Me sorprendió ver esta anomalía y estaba ansioso por identificar la causa ".
Los investigadores encontraron que las características matemáticas de las mediciones de frecuencia habían ocultado efectivamente este problema a simple vista.
"El problema es matemáticamente sutil, "Dijo el profesor Sader." Las leyes de fuerza que pertenecen a algo llamado espacio de Laplace, que todos han probado, están bien. Son los que no forman parte de este espacio los que causan el problema, y hay muchos de ellos en la naturaleza ".
Al observar los detalles de esta sutileza, El profesor Sader pudo formular una nueva teoría y un método matemático que identifica cuándo surge el problema del desenfoque en una medición real, permitiendo que el practicante de AFM lo evite.
"Me gusta pensar que nuestro descubrimiento brinda a los profesionales la capacidad de ver un 'bache' en el camino por delante, y así evitarlo sin dañarlo. Previamente, este bache había pasado desapercibido y los conductores a veces se dirigían directamente hacia él, "Dijo el profesor Sader.
"El siguiente paso es tratar de entender cómo eliminar este 'punto ciego' y 'bache' por completo.
"Nuestro trabajo también destaca la importancia de que los matemáticos y los experimentadores trabajen juntos para resolver un problema tecnológico importante. Sin ambos conjuntos de habilidades, este problema no se habría identificado ni resuelto. Había pasado desapercibido durante más de 25 años ".
El profesor Sader dijo que esta nueva comprensión puede proporcionar información sobre el funcionamiento de otras medidas dinámicas de fuerza de AFM al identificar una característica previamente inexplorada.
