دیدن در مقیاس نانو

یک تار موی انسان حدود ۸۰ هزار نانومتر پهنا دارد و فاصلهٔ دو اتم همسایه در یک بلور سیلیسیم تنها ۰٫۲۳ نانومتر است. یعنی در عرض یک تار مو بیش از سیصد هزار اتم پشت سر هم جا می‌شوند. چشم ما و حتی بهترین میکروسکوپ نوری هرگز به چنین مقیاسی راه ندارند. اما از دههٔ ۱۹۸۰ ابزاری ساخته شد که به‌جای تاباندن نور به سطح، یک سوزن بسیار تیز را روی آن می‌کشد و پستی و بلندی‌ها را می‌کاود. نام این ابزار میکروسکوپ نیروی اتمی است و منطقش بیشتر به لمس‌کردن شبیه است تا به دیدن.

مرز پراش: چرا نور کم می‌آورد؟

نور یک موج است و هیچ موجی نمی‌تواند جزئیاتی به‌مراتب کوچک‌تر از طول موج خودش را از هم تفکیک کند. ارنست آبه در سال ۱۸۷۳ نشان داد کوچک‌ترین فاصله‌ای که یک میکروسکوپ نوری می‌تواند دو نقطهٔ جدا را جدا نشان دهد، تقریباً برابر است با طول موج نور تقسیم بر دو برابر گشودگی عددی عدسی. گشودگی عددی به بازشدگی مخروط نوری و ضریب شکست محیط میان عدسی و نمونه بستگی دارد و در عمل، حتی با غوطه‌ور کردن عدسی در روغن، از حدود ۱٫۴ فراتر نمی‌رود. طول موج نور مرئی هم پایین‌تر از حدود ۴۰۰ نانومتر نمی‌آید. حاصل این دو محدودیت یک سقف طبیعی است که با هیچ عدسی بهتری شکسته نمی‌شود.

مثال عددی حل‌شده

فرض کن با نور سبز به طول موج ۵۵۰ نانومتر و یک عدسی روغنی با گشودگی عددی ۱٫۴ کار می‌کنی. حد تفکیک برابر است با ۵۵۰ تقسیم بر حاصل‌ضرب ۲ در ۱٫۴، یعنی ۵۵۰ تقسیم بر ۲٫۸ که می‌شود تقریباً ۱۹۶ نانومتر. حالا این عدد را با مقیاس اتمی بسنج: اگر فاصلهٔ میانگین دو اتم همسایه را ۰٫۳ نانومتر بگیریم، در طول ۱۹۶ نانومتر نزدیک به ۶۵۰ اتم پشت سر هم قرار می‌گیرند. پس هر «نقطه» در تصویرِ بهترین میکروسکوپ نوری، در واقع میانگینی مبهم از ششصد و پنجاه اتم است. با یک عدسی خشک معمولی که گشودگی عددی آن ۰٫۹ است، اوضاع بدتر می‌شود: ۵۵۰ تقسیم بر ۱٫۸ یعنی حدود ۳۰۶ نانومتر. هیچ‌کدام از این دو عدد حتی به مرزِ دیدنِ یک مولکول بزرگ هم نمی‌رسد.

بزرگ‌نمایی و توان تفکیک دو چیز متفاوت‌اند. اگر ناحیه‌ای به پهنای ۱۰ نانومتر را روی صفحه‌ای به عرض ۱۰ سانتی‌متر نمایش دهی، بزرگ‌نمایی ده میلیون برابر است؛ اما اگر ابزار نتواند جزئیات زیر ۲۰۰ نانومتر را تفکیک کند، این بزرگ‌نمایی فقط یک لکهٔ بزرگ‌شده تحویل تو می‌دهد.

راه گریز: کاوشگر روبشی

در سال ۱۹۸۱ گرد بینیگ و هاینریش رورر میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی را ساختند؛ ابزاری که با اندازه‌گیری جریان تونلی میان یک سوزن و سطح، اتم‌ها را یکی‌یکی نشان می‌داد. اما آن دستگاه تنها روی نمونه‌های رسانا کار می‌کرد. در سال ۱۹۸۶ همان بینیگ به همراه کالوین کوئیت و کریستوف گربر میکروسکوپ نیروی اتمی را معرفی کردند: این بار به‌جای جریان الکتریکی، نیروی بین‌اتمی میان نوک سوزن و اتم‌های سطح سنجیده می‌شود. چون هر ماده‌ای، رسانا یا نارسانا، این نیرو را اعمال می‌کند، ابزار تازه روی شیشه، پلاستیک، سنگ و حتی سلول زنده در آب هم کار می‌کند. توان تفکیک آن دیگر به طول موج وابسته نیست، بلکه به تیزی نوک سوزن و پایداری مکانیکی دستگاه بستگی دارد؛ به همین دلیل تفکیک بهتر از یک نانومتر در راستای افقی و کسری از نانومتر در راستای عمودی به دست می‌آید.

کاربرد واقعی

در کارخانه‌های نیمه‌رسانا، همواری لایه‌های نازک روی ویفر سیلیسیم را با همین ابزار می‌سنجند، چون خطای چندنانومتری در ضخامت یک لایه می‌تواند کل تراشه را از کار بیندازد. در زیست‌شناسی، پژوهشگران سطح یک سلول را با سوزن فشار می‌دهند و از سفتی آن برای تشخیص بافت سالم و ناسالم استفاده می‌کنند. حتی ناهمواری پوشش ضدبازتاب عدسی عینک هم با نقشهٔ توپوگرافی همین دستگاه کنترل کیفیت می‌شود.