Mikroskop denilince ilk aklımıza gelen, görüntünün bir mercek yardımıyla büyütülüp incelenebildiği bir cihazdır. İlgili terimin Türk Dil Kurumu’ndaki tanımı da aslında bu yönde; Mikroskop TDK’da ‘’ Bir mercek düzeneği yardımıyla küçük nesneleri büyütüp daha belirgin duruma getirmeye veya çıplak gözle görülmeyenleri göstermeye yarayan alet,’’ olarak tanımlanmış. Fakat yaygın olarak bilinenin aksine, birçok farklı mikroskop çeşidi bulunuyor. Elektron mikroskobu, ışık mikroskobu ve taramalı kuvvet mikroskobu, mikroskop çeşitlerinin yalnızca birkaçı. Bu yazıda da, özellikle son yıllarda yapılan çalışmalarda sıklıkla karşımıza çıkan ve taramalı kuvvet mikroskobunun bir çeşidi olan atomik kuvvet mikroskobunu inceleyeceğiz.

Atomik Kuvvet Mikroskobu (Atomic Force microscope, AFM), örnekleri nano ölçekte incelemek için tartışmasız en çok yönlü ve güçlü mikroskobi teknolojisidir. AFM oldukça çok yönlü bir araçtır, çünkü AFM yalnızca üç boyutlu yüzeyde imge oluşturmaz, aynı zamanda bilim insanlarının ve mühendislerin ihtiyaçlarına göre çeşitli yüzey ölçümlerini yapmalarını da sağlar. Atomik kuvvet mikroskobu oldukça güçlüdür çünkü asgari numune hazırlığı olmasına rağmen angstrom ölçekte çözünürlük-yükseklik bilgileri ile atomik çözünürlükte görüntüler üretebilir.

Peki Atomik Kuvvet Mikroskopu ya da literatürde yaygın kullanılan adı ile AFM nasıl çalışır?

Nano Dünya

Yunanca ‘’cüce’’ sözcüğünden türetilen nano, 10^-9 faktörünü belirten bir ön addır. Bir nanometre bir metrenin milyarda biridir ve bu ölçekte molekül içi kuvvetler ve kuantum etkiler hüküm sürer. Nano dünyayı daha anlaşılır kılmak için bir örnek verelim. Nano ölçekte olan bir atomun bir elmaya büyüklük olarak oranı, bir elmanın Dünya’ya olan büyüklük oranıyla aşağı yukarı aynıdır. İşte AFM ile, nano ölçekteki bu ilgi çekici dünyaya bir pencere açılıyor.

Atomik Kuvvet Mikroskopu Çalışma Prensibi

Yüzeyi Sezmek

AFM’de numune yüzeyini taramak için bir çubuk benzeri düzenek ucundaki oldukça ince iğne kullanır. Bu iğne yüzeye yeteri kadar yaklaştığında, yüzey ve bu iğne arasındaki çekim kuvvetleri ile çubuğun yüzeye doğru sapmasına neden olur. İğne yüzeye daha da yaklaştıkça, yüzeye temas etmesi gibi, itme kuvvetinde artış meydana gelir ve çubuk yüzeyden dışarı doğru sapar. Uçta kullanılan iğne, incelenmek istenilen yüzeye göre farklılık gösterir. Ancak genel olarak Silikon (Si) ya da Si3N4 iğne ve çubuk benzeri materyalin yapımında kullanılır. Uçtaki iğnenin kalınlığı, yaygın olarak 0.2 nanometre ile 10 nanometre arasında farklılaşır. Aşağıdaki görselde iğne ve çubuk yapısını görebilirsiniz.

Algılama Yöntemi

Bir lazer ışını yardımıyla, yüzeye doğru veya yüzeyden uzağa doğru olan çubuk sapmaları tespit edilir. Lazer ışını çubuk benzeri malzemenin üzerinden yansır. Eğer çubuk hareket ederse, yansıyan ışının açısında da değişiklikler meydana gelecektir. İşte bu değişiklikleri tespit etmek için de konuma duyarlı foto diyot ( Position sensitive photo diode, PSPD) kullanılır. Lazer ışınındaki bu sapmalar ile, incelenen nano-ölçekteki yüzey girintileri ve çıkıntıları kaydedilir.

Görüntüleme

Lazer ışınındaki sapmalar yardımıyla, yüzeydeki konum bilgileri de kayıt altına alınmış olur. Bundan sonrasını tıpkı kabartmalı haritalara benzetebilirsiniz. Tıpkı kabartmalı haritalarda olduğu gibi ilgili konumun yüksekliğindeki farklılıklara incelenen nano yüzeyin haritası çıkartılır. Dolayısıyla nano-yüzeyin topografik bir görüntüsü elde edilmiş olur. Aşağıdaki görselde de görebileceğiniz gibi ince bir uç yardımıyla yüzey üzerindeki örnek inceleniyor. İtme ve çekme kuvvetlerinden elde edilen topografik harita yardımıyla görselleştirme sağlanıyor.

Uygulama Alanları

AFM, katı-hal fiziği, yarı-iletken teknolojisi, moleküler mühendislik, polimer kimyası, yüzey kimyası, moleküler biyoloji, hücre biyolojisi ve tıp dahil olmak üzere, doğa bilimlerinin geniş bir yelpazesindeki alanlarında kullanılabilir.

Katı hal fiziği alanında AFM, bir yüzeydeki atomların tanımlanması, belirli bir atom ile onun komşu atomları arasındaki etkileşimlerin değerlendirilmesi ve atom manipülasyonu yoluyla yapılmış atomik düzenlemelerden kaynaklanan fiziksel özelliklerin değişimlerin incelenmesi gibi uygulamaları kapsar.

Hücresel biyolojide, AFM, hücrelerin sertliğine dayalı olarak kanser hücrelerini ve normal hücreleri ayırma ve belirli bir hücre ile onun komşu hücreleri arasındaki etkileşimleri değerlendirmeye yarar.

Bazı varyasyonlarda, iletken çubuk malzemesi kullanılarak elektrik potansiyelleri incelenebilir. Daha gelişmiş sistemlerde de, elektrik iletkenliğini ölçmek veya alttaki yüzeyi taşımak için iğne üzerinden akımlar iletilebilir.

Atomik Kuvvet Mikroskobu ile Elde Edilmiş Görseller

Atomik Kuvvet Mikroskobunun birçok alanda kullanıldığını söylemiştik. Aşağıdaki fotoğrafta University of California bilim insanlarının yaptığı çalışma sonucunda elde edilen ve bazı bileşiklerin reaksiyon öncesi ve sonrasındaki hallerini gösteren AFM görüntüleri mevcut.

---

Kaynaklar ve İleri Okuma:

• How an AFM Works, NanoScience, Retrieved from http://www.nanoscience.com/technology/afm-technology/how-afm-works/


• Robert A. Wilson and Heather A. Bullen, Basic Theory- Atomic Force Microscopy (AFM), Department of Chemistry, Northern Kentucky University, Retrieved from http://asdlib.org/onlineArticles/ecourseware/Bullen/SPMModule_BasicTheoryAFM.pdf


• Binnig, G.; Quate, C. F.; Gerber, C. (1986). "Atomic-Force Microscope". Physical Review Letters. 56: 930–933, doi:10.1103/physrevlett.56.930


• Giessibl, Franz J. (2003). "Advances in atomic-force microscopy". Reviews of Modern Physics. 75 (3): 949–983. doi:10.1103/RevModPhys.75.949


• Alexander Riss, Alejandro Pérez Paz, Sebastian Wickenburg, Hsin-Zon Tsai, Dimas G. De Oteyza, Aaron J. Bradley, Miguel M. Ugeda, Patrick Gorman, Han Sae Jung, Michael F. Crommie, Angel Rubio, Felix R. Fischer. Imaging single-molecule reaction intermediates stabilized by surface dissipation and entropy. Nature Chemistry, 2016; DOI: 10.1038/nchem.2506

---