История создания и применения фотоиндуцированной силовой микроскопии
Фотоиндуцированная силовая микроскопия (PiFM) зародилась как концепция в голове Кумара Викрамасингхе, когда он работал в IBM в начале нового тысячелетия. После того как он перешёл в Калифорнийский университет в Ирвайне в 2006 году, концепция превратилась в изобретение, которое должно было революционизировать исследования, позволив учёным изучать фундаментальные характеристики материи с нанометровым разрешением.
С момента первых экспериментальных применений PiFM примерно в 2010 году устройство, которое раскрывает химический состав и пространственную организацию материалов на молекулярном уровне, стало предпочтительным инструментом для исследователей в таких разнообразных областях, как биология, геология, материаловедение и даже производство современной электроники.
Викрамасингхе рассказывает о развитии технологии
«Это история технологии, которая была вдохновлена работой в IBM, была изобретена и разработана в Калифорнийском университете в Ирвайне, затем была выделена в отдельное направление, и теперь у нас есть инструменты на всех континентах мира, кроме Антарктиды», — говорит Викрамасингхе, заслуженный профессор Генри Сэмуэли и почётный профессор электротехники и компьютерных наук, который теперь носит звание заслуженного профессора-исследователя Калифорнийского университета в Ирвайне. «Почти везде, где проводятся серьёзные исследования, есть люди, которые используют PiFM для открытия нового».
Статья в Nature Reviews Methods Primers
Чтобы отметить изобретение PiFM и её распространение в научном сообществе, издание Nature Reviews Methods Primers недавно опубликовало статью, описывающую возможности и применение технологии, соавторами которой стали Викрамасингхе и международная команда коллег.
Финансирование и поддержка
Викрамасингхе говорит, что первоначальная работа над PiFM в Калифорнийском университете в Ирвайне стала возможной благодаря поддержке, которую он получил от Фонда Сэмуэли и неограниченному финансированию от Фонда В. М. Кека.
«Это действительно полезно, потому что, когда у вас есть такие сумасшедшие идеи, как эта, очень трудно заставить Национальный научный фонд или другое агентство поддержать её, потому что они хотят видеть результаты сначала, прежде чем давать вам деньги», — говорит он.
В конце концов, однако, ныне закрытый Центр химии на границе пространства-времени в Калифорнийском университете в Ирвайне, финансируемый Национальным научным фондом, действительно оказал поддержку. Его исследователи разделяли видение того, что, объединив нелинейную оптику со сканирующей зондовой микроскопией, можно будет визуализировать молекулы в действии с атомистической детализацией.
Применение в различных областях
Викрамасингхе говорит, что вдохновение для технологии фотоиндуцированной силовой микроскопии возникло в заметках, которые он подготовил для лекции по физике полупроводников. Он говорит, что переходы металл-полупроводник, которые встречаются практически во всех чипах, могут стать диодами, подобными тем, которые используются в солнечных элементах.
Согласно Викрамасингхе, когда отрицательное напряжение прикладывается к металлической стороне полупроводникового перехода n-типа, почти никакого тока не протекает, поскольку электроны должны преодолеть большой потенциальный барьер, чтобы попасть в полупроводник. Ток очень мал по сравнению с электронами, движущимися в противоположном направлении.
Использование в научных исследованиях
Лаура Оттер, научный сотрудник в области наук о Земле в Австралийском национальном университете, говорит, что она использует PiFM в своей роли учёного, специализирующегося на биоминерализации, процессе, посредством которого живые организмы формируют минералы. Оттер говорит, что она заинтересована в исследовании того, как раковины моллюсков, отолиты (кости уха позвоночных) и кораллы растут и реагируют на изменение окружающей среды на микро- и наноуровне.
«PiFM позволяет мне глубоко погрузиться в мои образцы и составить карту того, где органические молекулы и минералы встречаются на нанометровом уровне, что невозможно сделать с помощью других методов. Используя PiFM, я смогла визуализировать, как минеральный компонент перламутра переходит из аморфного состояния в кристаллическое, и как начальная аморфная фаза включает большее количество микроэлементов, чем мы ожидали», — говорит Оттер. «Это открытие имеет важное значение для реконструкции прошлых условий окружающей среды по материалам раковин».
Применение в промышленности
Помимо использования учёными по всему миру, в кампусе Калифорнийского университета в Ирвайне есть несколько таких устройств, в том числе в биологических, материаловедческих и химических лабораториях.
Викрамасингхе говорит, что возможности PiFM выходят за рамки фундаментальных наук и проникают в область передовой электроники и других технологий. «Поскольку у него есть возможности спектроскопии в нанометровом масштабе, PiFM подходит для многих промышленных применений. Например, вы можете использовать его для картирования и изучения химии наиболее передовых литографически напечатанных схем до того, как они будут произведены в массовом масштабе, что позволит вам проверить, находится ли ваш процесс на правильном пути», — говорит он. «Если вы используете Apple iPhone, например, есть большая вероятность, что объектив на его камере был отсканирован в какой-то момент с помощью инструмента, который мы создали здесь, в Калифорнийском университете в Ирвайне».
Викрамасингхе отмечает: «До того, как была разработана фотоиндуцированная силовая микроскопия, в науке определённо была брешь, неспособность проводить инфракрасную спектроскопию в нанометровом масштабе. Это была дыра, которую я пытался заполнить в течение многих лет. Это был медленный процесс, но отрадно видеть, как PiFM прижилась и теперь помогает в научных исследованиях почти повсеместно».