Các nhà nghiên cứu ở Thụy Sĩ và Hà Lan vừa lần đầu tiên thiết kế thành công một dạng kính hiển vi lực nguyên tử có khả năng chụp ảnh từng nguyên tử riêng biệt trong một phân tử. Kết quả này là một bước đột phá trong ngành hiển vi bề mặt và có thể đem đến một cái nhìn hoàn toàn mới mẻ vào trong từng tương tác hóa học cũng như là phát triển các các linh kiện đơn điện tử, theo lời của các nhà nghiên cứu (Science 325, 1110).

Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope – AFM) được phát minh hơn 20 năm trước, có thể giúp các nhà khoa học có một cái nhìn tốt nhất để kiểm tra các nguyên tử trên bề mặt của cả các mẫu dẫn điện và cách điện. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật này là quét một mũi nhọn kim loại trên bề mặt một mẫu để tạo ra ảnh, dựa trên sự cân bằng cách lực vô cùng nhỏ giữa mẫu và mũi dò. Các cải tiến mới nhất của kỹ thuật có thể cho phép các nhà nghiên cứu quan sát bề mặt ở một mức độ chi tiết chưa từng có tiền lệ, kể cả bước nhảy vọt đáng kể vào năm 2007 khi các nhà nghiên cứu có thể tạo ra độ phân giải ở mức độ các nguyên tử cô lập trên bề mặt một vật liệu lần đần tiên.Trên thực tế, bức tranh sớm nhất về các nguyên tử riêng biệt được chụp vào những năm 1970 bằng cách bắn phá một mẫu kim loại nhờ một chùm điện tử, và quan sát nhờ kỹ thuật được biết là kính hiển vi điện tử truyền qua. Tiến bộ mới nhất của kỹ thuật này là đạt tới độ phân giải nhỏ hơn bán kính nguyên tử hydro, nhưng nó đòi hỏi mẫu siêu mỏng tới vài lớp tinh thể, và mẫu dễ dàng bị phá hủy bởi năng lượng cao của chùm điện tử.

 Để cải tiến AFM đến độ phân giải tốt hơn, các nhà nghiên cứu cần phải dịch chuyển mũi dò của kính hiển vi trong khoảng cách 1 nm, và ở khoảng cách nhỏ này, hàng loạt thử thách đã xuất hiện. Vấn đề lớn nhất là mũi dò sẽ ở trong tình trạng “nguy hiểm” do sự dịch chuyển rất nhỏ, hoặc thậm chí bị hút mạnh bởi mẫu do lực tương tác Van der Waals. Hơn nữa, khi mũi dò rất gần mẫu, việc biết chính xác thành phần nguyên tử và hình dạng của mũi dò trở nên cực kỳ quan trọng, và với các mũi dò truyền thống, thông tin này không phải lúc nào cũng rõ ràng.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu lãnh đạo bởi Leo của Phòng thí nghiệm IBM Zurich (Thụy Sĩ) đã vượt qua vấn đề này để đạt tới mức phân giải từng nguyên tử riêng biệt cũng như liên kết trong một đơn phân tử. Nhóm đã nhận ra rằng nguyên tử hay phân tử ở gần đầu mũi dò của AFM sẽ chi phối độ tương phản cũng như độ phân giải của kính hiển vi. Vì lý do này, họ đã thay thế mũi dò kim loại truyền thống của AFM bằng một đơn phân tử carbon monoxide (CO), vốn rất bền cũng như là tạo ra lực Van der Waals nhỏ hơn khi ở khoảng cách raats gần mẫu. Và một kết quả rất đẹp được tạo ra thành công là hình ảnh phân tử hydrocarbon C22H14 (pentacen) với 5 vòng benzene, và được đo với chiều dài chỉ 1,4 nm. Bức ảnh này cho thấy 5 vòng carbon, cũng như là các nguyên tử carbon, hydro riêng biệt trong phân tử, khoảng cách giữa các nguyên tử riêng biệt chỉ là 0,14 nm – là độ phân giải tốt nhất chưa từng có với một AFM. Các nhà nghiên cứu đã nhanh tróng nhận ra rằng cải tiến này rất có ý nghĩa khoa học bởi thực ra CO đã được dùng trong kính hiển vi quét chui hầm (STM) trong nhiều năm để tăng cường độ phân giải với cùng lý do.

Hình 1. Một kết quả rất đẹp của công trình nghiên cứu chụp ảnh các phân tử C22H14 ở các mức độ phân giải các nhau (ảnh A là mô hình phân tử) – Theo Science 325, 1110.

Gross nói rằng ông cùng với nhóm của mình đang dự kiến phát triển nghiên cứu này với một mục tiêu trước mắt là tăng cường độ phân giải và xây dựng một catalogue các đặc trưng hóa học cho nhiều nguyên tử và phân tử. Rốt cục thì mũi dò AFM CO có thể sử dụng để xác định đặc trưng của các phân tử khác nhau để sử dụng trong phân tích hóa học. Xa hơn, các dạng mới của AFM có thể ứng dụng để nghiên cứu các tương tác hóa học, hoặc xúc tác ở mức độ nguyên tử.Công nghiệp điện tử cũng có thể thu được lợi nhuận từ kính hiển vi mới này bởi vì các thông tin tốt hơn rất nhiều từ cấu trúc phân tử có thể giúp cho việc phát triển các linh kiện đơn điện tử. “Mặc dù chúng tôi mới đang tập trung vào các cải tiến thực nghiệm ở kích thước nhỏ, nhưng đó cũng sẽ là mục tiêu dài hạn” – Gross nói – “Một hiểu biết nhiều hơn nữa về các quá trình điện tử ở thang phân tử có thể thiết lập ở mức độ các CMOS”. Có thể xem các kết quả của nghiên cứu này trong bài báo mới được đăng trên Science 325, 1110.

Vạn lý Độc hành (Theo Physicsworld, New Scientist and Science)