Исследователи обнаружили «слепое пятно» в атомно-силовой микроскопии - мощном инструменте, способном измерять силу между двумя атомами, визуализировать структуру отдельных клеток и движение биомолекул.
Атомы имеют размер около одной десятой нанометра, или в миллион раз меньше ширины человеческого волоса.
Новое исследование показывает, что точность измерения атомной силы зависит от действующих законов силы.
Законы силы, которые находятся в недавно обнаруженной "слепой зоне" - которые распространены в природе - могут привести к неверным результатам. В исследовании также подробно описывается новый математический метод, позволяющий увидеть и избежать этой слепой зоны, защищая измерения атомных сил от неточных результатов.
Профессор Джон Сейдер из Школы математики и статистики Мельбурнского университета и Центра передового опыта в области экситонных наук Австралийского исследовательского совета руководил исследованием вместе с исследователем из Мельбурнского университета Барри Хьюзом и Фердинандом Хубером и Францем Гиссиблом из Университет Регенсбурга в Германии. Работа опубликована сегодня в журнале Nature Nanotechnology.
«Атомно-силовой микроскоп (АСМ) обеспечивает превосходное разрешение на атомном и молекулярном уровне. Он также обладает замечательной способностью измерять силу между двумя атомами», - сказал профессор Садер.
AFM использует небольшой консольный стержень (длина которого равна ширине человеческого волоса), чтобы чувствовать форму поверхности и воспринимать силы, с которыми она сталкивается - почти так же, как игла или игла проигрывателя грампластинок. работает, при этом острый наконечник на конце кантилевера взаимодействует с поверхностью.
Чтобы обеспечить точные измерения в атомном масштабе, кантилевер (и его кончик) «динамически» колеблется вверх и вниз на своей собственной резонансной частоте - немного в стороне от поверхности. Фактическая сила, действующая на наконечник, определяется по этой измеренной частоте.
Теперь исследователи могут показать, что это динамическое измерение размывает силу атомного масштаба, удаляя информацию, которая может сделать восстановление фактической силы проблематичным, создавая эффективную «слепую зону».
«Восстановленная сила может совсем не походить на истинную силу», - сказал профессор Сэдер. «Примечательно, что для одних законов атомной силы этот вопрос вообще отсутствует, а для других создает реальную проблему.
"Измерения динамической силы эффективно рассматривают атомную силу через размытую линзу. Затем необходим математический алгоритм, чтобы преобразовать это в фактическую силу."
В 2003 году профессор Сейдер и его коллега из Тринити-колледжа в Дублине разработали один из этих алгоритмов, называемый методом Сэдера-Джарвиса, который широко используется для восстановления силы атомного масштаба из этого размытого измерения частоты.
«Не было никаких намеков на то, что это размытие может быть проблемой, с тех пор как в 1992 году был изобретен метод динамической АСМ. Многие независимые исследователи исследовали его и показали, что все стандартные законы силы дают очень надежные результаты», - сказал профессор Садер..
"Затем, в прошлом году, сотрудники и соавторы этого исследования из Университета Регенсбурга впервые увидели аномалию в своих измерениях и сообщили мне об этом. Я был удивлен, увидев эту аномалию, и захотел определите причину."
Исследователи обнаружили, что математические особенности измерения частоты фактически скрыли эту проблему из виду.
"Проблема математически тонкая", сказал профессор Сейдер. «Законы силы, принадлежащие чему-то, называемому пространством Лапласа, которое все проверяли, - это нормально. Проблема заключается в тех законах, которые не являются частью этого пространства, а таких в природе много».
Рассматривая детали этой тонкости, профессор Сэдер смог сформулировать новую математическую теорию и метод, который определяет, когда возникает проблема размытия в реальном измерении, позволяя практикующему АСМ избежать этого.
Мне нравится думать о нашем открытии как о том, что мы даем практикующим врачам возможность увидеть «выбоину» на дороге впереди и, таким образом, избежать ее без повреждений. Раньше эта выбоина оставалась незамеченной, и водители иногда направляясь прямо в него, - сказал профессор Сейдер.
Следующий шаг - попытаться понять, как полностью убрать это «слепое пятно» и «дыру».
"Наша работа также подчеркивает важность совместной работы математиков и экспериментаторов для решения важной технологической проблемы. Без обоих наборов навыков эта проблема не была бы выявлена и решена. Она оставалась незамеченной более 25 лет."
Профессор Сэдер сказал, что это новое понимание может дать представление о работе других динамических измерений силы АСМ путем выявления ранее неизученной функции.