O desenvolvimento de microscópios de sonda de varredura no início dos anos 1980 trouxe um grande avanço na geração de imagens, abrindo uma janela para o mundo em nanoescala. A ideia principal é escanear uma ponta extremamente afiada sobre um substrato e registrar em cada local a força da interação entre a ponta e a superfície. Na microscopia de força de varredura, essa interação é - como o nome indica - a força entre a ponta e as estruturas na superfície. Essa força é normalmente determinada medindo como a dinâmica de uma ponta vibratória muda conforme ela varre os objetos depositados em um substrato. Uma analogia comum é tocar com o dedo em uma mesa e sentir objetos colocados na superfície.

Uma equipe liderada por Alexander Eichler, cientista sênior do grupo do Prof. Christian Degen no Departamento de Física da ETH Zurique, virou esse paradigma de cabeça para baixo. Escrevendo em Revisão Física Aplicada , eles relatam o primeiro microscópio de força de varredura no qual a ponta está em repouso enquanto o substrato com as amostras vibra.

Rabo abanando o cão

Fazer microscopia de força "vibrando a mesa sob o dedo" pode parecer complicar o procedimento. Num sentido, ele faz. Mas dominar a complexidade dessa abordagem invertida traz grande recompensa. O novo método promete levar a sensibilidade da microscopia de força ao seu limite fundamental, além do que pode ser esperado de novas melhorias da abordagem convencional de "toque de dedo".

A chave para o aumento da sensibilidade é a escolha do substrato. A 'mesa' nos experimentos de Eichler, Degen e seus colegas de trabalho é uma membrana perfurada feita de nitreto de silício, apenas 41 nm de espessura. Colaboradores dos físicos da ETH, o grupo de Albert Schliesser da Universidade de Copenhagen, na Dinamarca, estabeleceu essas membranas de baixa massa como ressonadores nanomecânicos excepcionais com fatores de qualidade extremos. Uma vez que a membrana é tocada, vibra milhões de vezes, ou mais, antes de descansar. Dadas essas propriedades mecânicas requintadas, torna-se vantajoso vibrar a mesa ao invés do dedo, pelo menos em princípio.

Novo conceito colocado em prática

Traduzir esta promessa teórica em capacidade experimental é o objetivo de um projeto em andamento entre os grupos de Degen e Schliesser, com apoio teórico do Dr. Ramasubramanian Chitra e do Prof. Oded Zilberberg do Instituto de Física Teórica da ETH Zurique. Como um marco nessa jornada, as equipes experimentais já demonstraram que o conceito de microscopia de força de varredura baseada em membrana funciona em um dispositivo real.

Em particular, eles mostraram que nem carregar a membrana com amostras nem trazer a ponta a uma distância de alguns nanômetros compromete as propriedades mecânicas excepcionais da membrana. Contudo, uma vez que a ponta se aproxima da amostra ainda mais, a frequência ou amplitude da membrana muda. Para ser capaz de medir essas mudanças, a membrana apresenta uma ilha onde a ponta e a amostra interagem, bem como um segundo acoplado mecanicamente ao primeiro, a partir do qual um feixe de laser pode ser parcialmente refletido, para fornecer um interferômetro óptico sensível.

Quantum é o limite

Colocando esta configuração para funcionar, a equipe resolveu com sucesso nanopartículas de ouro e vírus do mosaico do tabaco. Essas imagens servem como uma prova de princípio para o novo conceito de microscopia, embora eles ainda não empurrem os recursos para um novo território. Mas o objetivo está ao nosso alcance. Os pesquisadores planejam combinar sua nova abordagem com uma técnica conhecida como microscopia de força de ressonância magnética (MRFM) para permitir imagens de ressonância magnética com uma resolução de átomos individuais, proporcionando assim uma visão única, por exemplo, em vírus.

A ressonância magnética em escala atômica seria outro avanço na imagem, combinando a resolução espacial final com informações físicas e químicas altamente específicas sobre os átomos capturados. Para a realização dessa visão, uma sensibilidade próxima ao limite fundamental dado pela mecânica quântica é necessária. A equipe está confiante de que pode realizar esse sensor de força limitado por quantum por meio de mais avanços na engenharia de membrana e metodologia de medição. Com a demonstração de que a microscopia de força de varredura baseada em membrana é possível, a ambiciosa meta agora está um grande passo mais perto.