Foto-indüklenen kuvvet mikroskopisi, yeni binyılın ilk yıllarında IBM tarafından istihdam edildiğinde Kumar Wickramasinghe’nin zihninde bir kavram olarak başladı. 2006 yılında Irvine, California Üniversitesi’ne geldikten sonra, kavram bilim adamlarının nano ölçekli kararda maddenin temel özelliklerini incelemelerini sağlayarak araştırmalara devrim yaratacak bir buluşa dönüştü.
PIFM’nin 2010 civarında en eski deneysel kullanımlarından bu yana, moleküler düzeyde malzemelerin kimyasal bileşimini ve mekansal organizasyonunu ortaya çıkaran cihaz, biyoloji, jeoloji, malzeme bilimi ve hatta gelişmiş elektronik üretim gibi çeşitli alanlardaki araştırmacılar için tercih edilen bir araç haline gelmiştir.
“Bu, IBM’de çalışmadan esinlenen, UC Irvine’de icat edilen ve geliştirilen, sonra döndüm ve şimdi Antarktika hariç dünyanın tüm kıtalarında enstrümanlarımız var.” Wickramasinghe, Henry Samueli’nin başkanlık ettiği ve şimdi UC Irvine Seçkin Araştırma Profesörü unvanını elinde tutan Seçkin Profesör Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi Profesör Emeritusunu söylüyor. “Hemen hemen her yerde ciddi araştırmalar oluyor, dışarıda yeni şeyler keşfetmek için PIFM kullanan insanlar var.”
PIFM’nin icadını ve bilimsel topluluğundaki çoğalmasını anmak için, Doğa İncelemeleri Yöntemler Primerler Kısa süre önce, Wickramasinghe ve uluslararası bir meslektaş ekibi ortak yazar olarak teknolojinin yeteneklerini ve uygulamalarını özetleyen bir makale yayınladı.
Wickramasinghe, UC Irvine’deki PIFM ile ilgili ilk çalışmanın Samueli Vakfı’ndan aldığı destek ve WM Keck Vakfı’ndan sınırsız fonlarla mümkün olduğunu söyledi.
“Bu gerçekten yararlı çünkü böyle çılgın fikirleriniz olduğunda, Ulusal Bilim Vakfı’nı veya başka bir ajansı desteklemek için çok zor, çünkü size para vermeden önce sonuçları görmek istiyorlar.” diyor.
Ancak nihayetinde, UC Irvine’deki uzay-zaman sınırında şimdi tartışılan NSF tarafından finanse edilen Kimya Merkezi destek sağladı. Araştırmacılar, doğrusal olmayan optikleri tarama-prob mikroskopisi ile birleştirerek molekülleri atomistik ayrıntılarla görselleştirmenin mümkün olması gerektiği vizyonunu paylaştılar.
“Profesör Wickramasinghe’nin öncülük ettiği atomik kuvvet mikroskopisi, Castl’de izlediğimiz araştırmanın merkezinde yer aldı.” Merkezin direktörü V. Ara Apkarian diyor. “Kumar’ın kampüs boyunca yürüttüğü PIFM çalışmasını öğrendikten sonra, onu hemen merkeze katılmaya davet ettik ve 2019’da merkezin gün batımına kadar sürecek işbirlikçi çabalar başlattık. Serendipity idi, ancak yeni icat ettiği Pifm’in hedeflerimize karşı muazzam bir sözü olan orta profesör Wickramasinghe’mızda şanslıydık.”
UC Irvine Seçkin Profesör Kimya Emeritus Apkarian, Nanometre-Pikosaniye Ölçeği’ndeki ilk uzay-zamanla çözülmüş PIFM görüntülerinin 2015 yılında basılı olarak ortaya çıkan çok yargılanan bir çabanın sonucu olduğunu söylüyor.
Ders notlarından kullanılabilir bir enstrümana kadar
Wickramasinghe, foto kaynaklı kuvvet mikroskopi teknolojisinin ilhamının, yarı iletken fiziği üzerine bir ders için hazırladığı notlarda ortaya çıktığını söylüyor. Pratik olarak tüm yongalarda bulunan metal-semikondüktör kavşaklarının güneş hücrelerinde kullanılanlar gibi diyot olma potansiyeline sahip olduğunu söylüyor.
Wickramasinghe’ye göre, N tipi bir yarı iletken-metal kavşağının metal tarafına negatif bir voltaj uygulandığında, elektronların yarı iletkene ulaşmak için büyük bir potansiyel bariyerin üstesinden gelmesi gerektiğinden neredeyse hiç akım akışı yoktur. Akım, ters yönde hareket eden elektronlara kıyasla çok küçüktür.
“Yarıiletken tarafına aynı negatif voltaj uygulandığında, elektronlar ‘kavşakta çok daha küçük bir bariyer’ bkz.” diyor. “İkinci durumda, akımı daha da artıran ek bir etki vardır. Bir elektron yarı iletken-metal kavşağa yaklaştıkça, metal taraftaki pozitif yük görüntüsünü ‘görür’ ve negatif elektron ve pozitif yük görüntüsü arasındaki çekici kuvvet, elektronun geçmesi için bariyeri daha da düşürür-akımda kolayca tespit edilir.”
Wickramasinghe, bu elektron bariyeri geçişinin kolayca algılanabilir olduğu için, optik olarak tahrik edilen bir molekül ile ayna görüntüsü arasındaki etkileşimde yer alan elektromanyetik kuvvetleri doğrudan gözlemleyebileceğini ve ölçebileceğini düşündüğünü söyledi. “görüntü kuvveti.”
“Işıkla harici olarak sürülen bir molekül sadece bir yük değil, bir dipol – salınan bir eksi ve artı yük çifti,” diyor. “Molekül metal bir yüzeye yaklaştıkça, bir artı/eksi yükü olan kavşağın diğer tarafında bir ayna görüntüsü olacaktır. Bu gücü tespit etmeye çalıştık ve başarımız bu enstrümanın oluşturulmasına yol açtı.”
Foto ile indüklenen kuvvet mikroskopisi nasıl çalışır?
Wickramasinghe’ye göre, optik ve tarama-prob mikroskopisini birleştiren ve “Yakın alan tarama optik mikroskopisi.” Bu teknikler, ışığı kendisinin kavşağına ve sorgulama altında bir substrat ve dağınık ışığın yoğunluğunu ölçmek için bir dedektör ve bir dedektör kullanır. Görüntü kontrastı elde edilir çünkü madde renklidir – farklı moleküller, değişen ışık renklerine benzersiz yollarla yanıt verir.
Diğer tüm yöntemlerden farklı olarak, PIFM, uçta uyguladıkları elektromanyetik kuvvet tarafından kavşaktaki dağınık fotonları tespit eder. Wickramasinghe, akıllı modülasyon şemalarını kullanarak, bireysel fotonların momentumu saptanabilir.
Avustralya Ulusal Üniversitesi’nde Dünya Bilimleri Araştırma Görevlisi olan Laura Otter, PIFM’yi, canlı organizmaların mineral oluşturma süreci olan biyomineralizasyon konusunda uzmanlaşmış bir bilim adamı olarak kullandığını söylüyor. Otter, mikro ölçekli ve nano ölçekte yumuşak kabuklar, otolitler (omurgalı kulak kemikleri) ve mercanların değişen ve cevapları değişen ortamlara yanıt vermekle ilgilendiğini söylüyor.
“PIFM, organik moleküllerin ve minerallerin nanometre ölçeğinde buluştuğu örnekler ve harita derinlemesine yakınlaştırmamı sağlıyor, bu da diğer tekniklerle mümkün olmayan bir şey. PIFM’yi kullanarak, vagondaki mineral bileşeninin bir amorftan kristal bir duruma nasıl dönüştüğünü ve ilk amorf fazın beklediğimizden daha yüksek miktarda eser element içerdiğini görselleştirebildim.” Otter diyor. “Bu bulgunun, kabuk malzemelerinden geçmiş çevresel koşulların yeniden yapılandırılması için önemli etkileri vardır.”
PIFM’nin dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları tarafından kullanılmasına ek olarak, UC Irvine kampüsünde biyoloji, malzeme bilimi ve kimya laboratuvarları da dahil olmak üzere birkaç cihaz vardır.
Wickramasinghe, PIFM’nin yeteneklerinin temel bilimlerin ötesine geçtiğini ileri elektronik ve diğer teknolojiler alanına götürdüğünü söylüyor.
“Nano ölçekte spektroskopi kapasitesine sahip olduğu için PIFM, birçok endüstriyel uygulamaya katkıda bulunur. Örneğin, bir kitle ölçeğinde üretilmeden önce en gelişmiş litografik olarak basılı devrelerin kimyasını haritalamak ve incelemek için kullanabilirsiniz, bu da sürecinizin doğru yolda olup olmadığını kontrol etmenizi sağlar.” diyor. “Örneğin bir Apple iPhone kullanıyorsanız, kameradaki lensin bir noktada burada UC Irvine’de oluşturduğumuz enstrümanı kullanarak taranması için iyi bir şans var.”
Wickramasinghe notları, “Foto-indüklenen kuvvet mikroskopisi geliştirilmeden önce, bilimde bir boşluk vardı, nanometre ölçeğinde kızılötesi spektroskopi yapamamıştı. Uzun yıllar doldurmaya çalıştığım bir delikti. Yavaş bir süreçti, ancak PIFM’nin nasıl yakalandığını ve şimdi neredeyse her yerde bilimsel araştırmalara yardım ettiğini görmek memnuniyet verici.”
