나노기술 및 정책 정보

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1980년대 초에 주사탐침현미경(SPM)의 개발은 이미징 분야에서 획기적인 발전을 가져 왔으며 나노 스케일로 세계에 창을 열었음. 핵심 아이디어는 기판 위의 매우 날카로운 팁을 스캔하고 각 위치에서 팁과 표면 간의 상호작용 강도를 기록하는 것임. SPM에서 이 상호작용은 이름에서 알 수 있듯이 표면에 있는 팁과 구조 사이의 힘이며, 이 힘은 일반적으로 기판에 증착된 물체를 스캔할 때 진동하는 팁의 역학이 어떻게 변하는지 측정하여 결정됨. 일반적인 비유는 테이블을 손가락으로 두드리며 표면에 놓인 물체를 감지하는 것임. 스위스 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)의 연구진은 이 패러다임을 뒤집었음.

우수한 감도의 핵심은 기판 선택이며, 41nm 두께의 실리콘 질화물로 만들어진 저 질량의 멤브레인을 나노기계 공진기로 확립함. 멤브레인이 기울어지면 수백만 번 이상 진동한 후 휴식을 취함.

연구진은 멤브레인에 샘플을 넣거나 팁을 수 나노미터 거리 내로 가져오는 것이 멤브레인의 탁월한 기계적 특성을 손상시키지 않는다는 것을 보여줌. 그러나 팁이 샘플에 더 가까워지면 멤브레인의 주파수 또는 진폭이 변경되고, 이러한 변화를 측정할 수 있도록 멤브레인은 팁과 샘플이 상호작용하는 섬 뿐만 아니라 레이저 빔이 부분적으로 반사될 수 있는 두 번째 섬(첫 번째 섬에 기계적으로 결합됨)을 갖추고 있어 민감한 광학 기능을 제공함.

연구진은 새로운 접근 방식을 자기공명힘 현미경(MRFM)으로 알려진 기술과 결합하여 단일 원자의 해상도로 자기공명 영상(MRI)을 가능하게 하여 예를 들어 바이러스에 대한 고유한 통찰력을 제공할 계획임.

원자 규모의 MRI는 이미지화된 원자에 대한 매우 구체적인 물리적 및 화학적 정보와 궁극의 공간 해상도를 결합하여 이미징의 또 다른 혁신이 될 것이며, 그 비전을 실현하기 위해서는 양자 역학의 근본적인 한계에 가까운 감도가 필요함. 연구진은 멤브레인 엔지니어링과 측정 방법론의 발전을 통해 이러한 '양자 제한' 힘 센서를 실현할 수 있다고 확신함.

본 연구 성과는 Physical Review Applied (“Membrane-based scanning force microscopy”)에 게재됨.