1

Seminar Ia – 1. Letnik, II. Stopnja

Mikroskop na atomsko silo - ko gladko postane

razgibano

Avtor : Monika Bažec

Mentor : Gorazd Planinšič

Somentor: Maja Remškar

Ljubljana, marec 2014

Povzetek:

Seminar je skupek opisa mikroskopa na atomsko silo (AFM) in modela AFM,

primernega za šolsko uporabo. AFM deluje na kontaktni in oscilirajoči način. Deluje

tudi na neprevodnih materialih in je zato zelo pomemben v biotehnologiji.

Uporaba modela AFM v šoli se je izkazala za zelo uspešno. Dijaki z modelom

spoznajo delovanje AFM-ja pri kontaktnem in oscilirajočem načinu slikanja vzorca.

Povezava z znanjem iz drugih področij fizike jim omogoča razumevanje delovanja

modelov AFM in povezavo pridobljenega znanja z dejanskim delovanjem AFM.

2

KAZALO Uvod ........................................................................................................................................................ 2

1. Mikroskop na atomsko silo.............................................................................................................. 2

1.1. Sestava mikroskopa in njegovo delovanje ................................................................................... 3

1.2. Lastnosti ....................................................................................................................................... 5

2.Uvajanje nanotehnoloških vsebin v pouk fizike ................................................................................... 6

2.1. Preprost didaktični model AFM .................................................................................................... 6

2.2. Kontaktni način slikanja z AFM ..................................................................................................... 7

2.3. Oscilirajoči način slikanja z AFM ................................................................................................... 9

Zaključek ................................................................................................................................................ 11

Literatura ............................................................................................................................................... 12

Uvod Mikroskop na atomsko silo (AFM- atomic force michroscope) je inštrument, ki je danes

nepogrešljiv del večine večjih raziskovalnih laboratorijev. Zametki AFM-ja segajo v začetke

osemdesetih 20. stoletja, ko sta Gerd Binnig and Heinrich Rohrer razvila vrstični tunelski

mikroskop (STM- scanning tunnelling microscope). Njuno odkritje je bilo tako pomembno, da

sta leta 1986 prejela Nobelovo nagrado [3].

Danes sta STM in AFM nepogrešljiva pri raziskovanju nanodelcev, o katerih se v zadnjih letih

v medijih veliko govori. Znanstveniki so s pomočjo AFM-ja in STM-ja ter drugih podobnih

naprav že veliko izvedeli o nanodelcih. So nepogršljiv del našega vsakdanjega življenja,

čeprav se tega ne zavedamo. Iz tega razloga moramo že mlade začeti poučevati o lastnostih

nanodelcev in o njihovem vplivu na zdravje. Seminar temelji v prvi meri na razumevanju

delovanja AFM, nato pa se osredotočim na uvajanju nanotehnoloških vsebin v pouk

srednješolske fizike. Delovanju AFM-ja se lahko didaktično dobro približamo s pomočjo

preproste naprave na magnetno silo, ki nam da podobne rezultate kot AFM. Na ta način

lahko dijaki sami s pomočjo preprostega eksperimenta na nivoju njihovega predznanja,

odkrivajo osnovne principe delovanja AFM-ja. Take poskuse lahko s preverjanjem njihovega

delovanja v šoli in njihovim izpopolnjevanjem, vključimo v pouk ter kasneje tudi v učni načrt.

S tem storimo prvi korak k uvajanju modernih vsebin v pouk in približevanje moderne

znanosti tudi tistim, ki po srednji šoli svojega študija ne bodo nadaljevali na naravoslovnih

fakultetah.

1. Mikroskop na atomsko silo Ko so prvič leta 1985, Qate, Gerber in Binning poskušali objaviti članek o AFM, je bil ta

zavrnjen. Ideja o merjenju sile na skali atomov se je recenzentu zdela nemogoča. Šele leto

kasneje so uspeli objaviti članek, ki je bil do danes citiran več kot štiritisočkrat.

3

1.1. Sestava mikroskopa in njegovo delovanje Prvi AFM je imel tipalo sestavljeno iz ročice, narejene iz zlata, na katero je bil pritrjen drobec

diamanta. Sestavili so ga za opazovanje neprevodnih vzorcev, tako da so dogradili STM. Med

konico STM in vzorec so vgradili zlato ročico, ki je služila kot vzmet, ki je pritiskala rob

diamanta ob vzorec, odmike pa so merili s STM konico preko tunelskega toka med konico in

ročico. Danes so konice tipal predvsem iz silicija in imajo vrh zaokrožen s krivinskim radijem

od 5 do 30 nm. Silicij je primeren predvsem zaradi svoje trdnosti in kemijske nereaktivnosti.

V primeru posebnih raziskav je konica prevlečena s kovino, prilagojeno določeni raziskavi.

Ročice tipal so iz silicija ali njegovih zlitin in so dolge od 100 do 300 μm ter debele od 0,5 do 2

μm. Te so pritrjene na aluminjasto ploščico. Na eni ploščici je lahko več ročic z različnimi

elastičnimi konstantami [1].

Najbolj pomemben del AFM-ja je konica tipala, s katero merimo silo med konico tipala in

površino vzorca (slika 1a). Merimo jo tako, da spremljamo odboj laserske svetlobe od

površine tipala, ki jo zaznamo na fotodiodi. Pri tem merimo lateralni in vertikalni premik

konice tipala. Na začetku laserski žarek sveti v stičišče vseh štirih fotodiod (slika 1 b). S

premikom ročice se spremeni tudi položaj laserskega žarka na fotodiodi [3].

Slika 1: a) Primeri tipal (levo) in b) Odboj laserskega žarka na tipalu in fotodioda (desno)

Pri merjenju je pomembno, da je mikroskop zaščiten pred zunanjimi mehanskimi vibracijami.

To izvedemo tako, da mikroskop položimo na mizo, ki jo nato obesimo na vzmeti.

Danes je AFM uporaben za raziskovanje predvsem neprevodnih predmetov in je prav iz tega

razloga tako pomemben v biotehnologiji. Z AFM-jem lahko merimo silo med konico tipala in

vzorcem v vakuumu, kjer so rezultati najboljši, lahko pa ga uporabljamo tudi v zraku in celo v

tekočinah. Slednji način je najbolj pomemben v bioloških raziskavah.

Dva najbolj pogosta načina preiskovanja površine vzorca z AFM-jem sta kontaktni način in

potrkavanje, ki spadata v v delovanje mikroskopa pri konstantni sili. Vzorec lahko

preiskujemo tudi pri konstantni višini in pri tem ne potrebujemo povratne zanke. Žal pa

eksperimentiranje pri konstantni višini ni dovolj natančno in pride pri tem načinu do velikih

napak.

Pri KONTAKTNEM NAČINU [3], se konica neprestano dotika površine, pri čemer ročica deluje

kot vzmet. Prav tako kot vzmeti lahko tudi tipalu pripišemo silo, ki je konstantna kot F= -kx.

4

V tem primeru je k prožnostna konstanta AFM tipala in obsega območje med 0,001 in 100

N/m, odvisno od aplikacije. Če si pogledamo za primerjavo ploščico iz aluminija, na katero so

pritrjena tipala, ki je 4 mm dolga in 1 mm široka, je njena prožnostna konstanta k = 1 N/m.

Odmik tipala iz ravnovesne lege označimo z x in je tipično velikosti 10 nm, za silo velikosti 1

nN.

Ko tipalo med vrstičenjem zazna površinske lastnosti, AFM popravi vertikalno lego tipala

tako, da sila med tipalom in vzorcem ostane konstantna, pri tem pa uporablja povratno

zanko. Ko tipalo zazna grbino 12 nm visoko, se dvigne za točno toliko in povratni signal je

torej 12 nm. Začetna nastavitvena točka tipala je 10 nm in nam zagotavlja to, da konica

ostane v stiku z vzorcem. Če preračunamo, vidimo, da se je tipalo odkonilo za 2nm preveč.

Signal napake 2 nm potuje na krmilnik povratne informacije. Ta določi kakšno nalogo bo

poslal v obliki napetosti na pogon. Slednji je piezoelektrični material, na katerega je pritrjeno

tipalo, ki se zaradi napetosti skrči ali raztegne in s tem premakne tipalo gor ali dol (slika 2). V

našem primeru se piezoelektrik mora skrčiti in dvigniti tipalo za 2 nm. Za tem senzor

deformacije (laser in fotodioda) izmeri premik tipala. Ta povratna zanka se ponavlja ves čas

skeniranja vzorca po korakih. Lahko pa se namesto tipala premika vzorec. Pri tem načinu

med konico tipala in vzorcem delujejo ionske odbojne sile. Vzorci primerni za tak način

raziskav morajo biti dovolj trdni, da jih ostra konica ne poškoduje. Slika površja je potem

sestavljena glede na premik, ki ga opravi tipalo.

Slika 2: Tipalo na pizoelektrik

POTRKAVANJE [3], je način preiskovanja vzorca s tem, da konica tipala niha z resonančno

frekvenco. Pri tem se konica občasno dotakne vzorca. Pri spremembi na površini vzorca se

amplituda nihanja, ki je tipično med 20 do 100 nm spremeni. V tem načinu začetna

nastavitev ni več ravnovesna lega, temveč ravnovesna amplituda. Ta metoda je uporabna

predvsem v bioloških preiskavah, saj so vzorci bolj občutljivi.

Poznamo pa še en način preiskovanja vzorcev z AFM-jem in to je FREKVENČNA MODULACIJA

[3]. Pri tem načinu konica tipala niha z resonančno frekvenco, ki jo neprestano vsiljujemo

tipalu in ko tipalo približamo vzorcu, se zaradi sil z dolgim dosegom frekvenca spremeni. V

tem primeru skuša povratna zanka ohraniti začetno frekvenco. Konica tipala ni v stiku z

vzorcem, ampak se privlači z vzorcem zaradi Van der Wallsovih sil med atomi konice in

vzorca. Zaradi oddaljenosti konica tipala ne pride v stik z vzorcem in se ne kontaminira ter jo

zato ni potrebno vedno znova umeriti. Ta način nam žal ne omogoča ločljivosti na atomski

ravni prav zaradi delovanja na večji razdalji od vzorca.

5

V raziskavah je najbolj preučevana Van der Waalsova vez, ki je sama po sebi zelo šibka. A

vedeti moramo, da se biološke molekule povezujejo med seboj z veliko Van der Waalsovimi

vezmi in tako postanejo močno vezane. S pomočjo AFM-ja lahko molekulo »iztrgamo« in pri

tem izmerimo velikost sile, ki veže molekulo povezano z drugimi molekulami. Na ta način

lahko spoznamo, kako sile, ki vežejo molekule med seboj, vplivajo na lastnosti molekule.

S pomočjo AFM-ja, ki deluje na kontaktni način, lahko izmerimo silo, ki deluje med objekti.

Pri tem moramo poznati prožnostno konstanto k in za koliko se je premaknilo tipalo iz

ravnovesnega stanja x.

Na sliki 3 [3] je predstavljena krivulja sile v odvisnosti od vertikalne pozicije tipala. Pri tem so

s številkami označeni koraki, ki jih pri raziskovanju vzorca opravimo. V prvem koraku

približamo konico tipala k vzorcu. Ko je konica na razdalji od 1 do 10 nm, med atomi v konici

tipala in vzorcem začne delovati Van der Waalsova sila, ki tipalo potegne bliže k vzorcu

(korak 2). Na grafu vidimo to kot šibko negativno silo. Če tipalo še približujemo vzorcu, se sila

med vzorcem in tipalom začne večati in je linearno sorazmerna s približevanjem tipala vzorcu

(korak 3). Sila je sedaj odbojna. V koraku 4 začnemo tipalo odmikat od vzorca in sila se

linearno zmanjšuje s povečevanjem razdalje. V trenutku, ko naj bi prišlo do razmika med

tipalom in vzorcem, pride ponovno do privlačne sile med vzorcem in tipalom. Bolj kot smo

prej tipalo približevali vzorcu v koraku 3 in bolj kot je površina lepljiva, dlje časa bo ostala

konica v stiku z vzorcem. Korak 6 nam pove dovolj veliko silo, da tipalo zapusti vzorec. Na tej

sliki je odbojna sila med atomi predstavljena kot pozitivna sila AFM in obratno.

Slika 3: Sila v odvisnosti od vertikalne pozicije tipala.

Po zgoraj opisanem načinu lahko tudi merimo silo, ki je potrebna, da dve molekuli

razcepimo. Prav tako, lahko s pomočjo kontaktnega načina izmerimo velikost DNA molekule

in silo, ki je potrebna za njeno pretrganje na dva dela, če DNA molekulo vpnemo na enem

koncu na tipalo, na drugem pa na vzorec.

1.2. Lastnosti [1] Najboljša dokumentirana ločljivost AFM-ja do sedaj je 0.01 nm v smeri pravokotno na

vzorec, znanstveniki pa upajo, da bodo to kmalu še izboljšali. Problem se pojavlja tudi v tem,

da AFM preiskuje površino zelo počasi, kar onemogoča preiskovanje kemijskih in bioloških

procesov.

6

Konica tipala je tako ostra, da zazna tudi sile med atomi, ki jih drugi inštrumenti ne morejo.

Z AFM-jem merimo sile kot so Van der Waalsove, elektrostatske, magnetne, kapilarne,

ionske odbojne,... Posebna odlika te metode je, da lahko z AFM-jem preiskujemo sile med

molekulami vse do pikonewtonskega ranga.

AFM omogoča preiskovanje izolatorjev in prevodnikov. Prav tako lahko z njegovo pomočjo

premikamo molekule po vzorcu.

Ročica tipala mora imeti čim manjšo elastično konstanto, da lahko odmike merimo, ampak

še vedno dovolj veliko, da se izognemo termičnemu šumu. Mora pa imeti tudi visoko

resonančno frekvenco od 10 do 200 kHz, da se izognemo vplivom iz okolice.

2.Uvajanje nanotehnoloških vsebin v pouk fizike Spodbujanje učencev, da se začnejo zanimati za znanost je primarna naloga vsakega dobrega

profesorja. Zato ni nobeno presenečenje, da so profesorji videli primerno temo ravno v

nanoznanosti. Slednja je v polnem razmahu in se ponuja kot idealna tema za medpredmetno

povezovanje. Z vpeljavo novih tem, kot je naprimer nanotehnologija ne gre za izrivanje že

vstaljenih poglavij fizike, ampak za dodajanje novih na nov in zanimiv način, kot so naprimer

naravoslovni dnevi. Pri tem pa je potrebno najprej najti primerne eksperimente, ki so že

preizkušeni in delujejo. K temu sodi tudi cenovni vidik opreme, ki ne sme biti predraga in

dovolj dobro znanje profesorjev, ki bodo snov predavali.

2.1. Preprost didaktični model AFM Najprej se moramo osredotočiti na pojem nanotehnologija in njeno razlago. Nano je

predpona 10-9 in jo lahko predstavimo na sledeč način.

Primerjava velikosti: (vir: http://www.mizs.gov.si/fileadmin/mizs.gov.si/pageuploads/podrocje/Strukturni_skladi/Gradiva/MUNUS2/MUNUS2_92Kemija_Nanodelci.pdf )

• žoga (premer 22 cm = 22·10-2 m), • bolha (1 mm = 10-3 m), • las (80 μm = 8·10-5 m), • eritrocit (7 μm = 7·10-6 m), • virusi (približno 150 nm = 15·10-8 m), • DNA (2 nm = 2·10-9 m), • molekula C60 (0,7 nm = 7·10-10 m).

Če se sedaj vrnemo k AFM-ju, sem zgoraj omenila, da je konica tipala široka v povprečju 5

nm. To pomeni, da moramo v vrsto postaviti 16000 konic AFM-ja, da bodo te predstavljale

debelino lasa, ki je debel 80 μm in ga lahko vidimo s prostim očesom.

Pri konstrukciji eksperimentov za uporabo v šoli se moremo držati pravila ekonomičnosti in

enostavnosti sestave,to je predvsem pomembno za šole. Moramo pa vedeti, da je dijakom

bliže konkretno logično mišljenje, kot pa formalno logično. Iz tega razloga v šolah pri pouku

fizike, če se le da vedno pokažemo eksperiment oz. ga dijaki sami naredijo. Na ta način

7

obstoječe znanje preverijo in nadgradijo. AFM pogosto deluje na principu šibke Van der

Waalsove privlačne sile in zato so pri konstrukciji šolskega modela AFM-ja upoštevati ravno

privlačno silo. Poleg tega je bilo najlažje v razredu simulirati ravno privlačno silo, ki jo je

nadomestila magnetna sila. Ko uvajamo nove vsebine v pouk, se moramo zavedati tudi

kakšno j predzanje dijakov, ki bodo uporabljali simulacijo AMF-ja. Tako morajo dijaki pred

uporabo kontaktnega modela AFM-ja poznati hookov zakon, in odbojni zakon. Pri slikanju z

oscilirajočim modelom AFM, pa morajo poleg Hookovega in odbojnega zakona poznati tudi

nihanje in resonanco. Le tako lahko dijaki pri pouku, nazorno spoznajo kontaktni in

oscilirajoči model delovanja AFM-ja.

2.2. Kontaktni način slikanja z modelom AFM [5] Za sestavo tega modela AFM potrebujemo stvari, ki so na sliki 4a. Ohišje je sestavljeno iz lego

kock, laser pritrdimo nanje s pomočjo plastelina, za tipalo uporabimo košček stare zgoščenke

in za konico tipala neodimov magnet (NIB), ki ga pritrdimo na spodnji konec zgoščenke.

Slednji naj ima premer približno 14 mm, višino 5 mm in težo 6 g. S takim magnetom lahko

raziskujemo površino, ki je sestavljena iz ene vrstice modela atomov. Model atomov lahko

izdelamo iz železnih kovinskih zamaškov, vmes pa damo še kakšen plastični zamašek, ki ne

reagira na magnetno silo in tako predstavlja atome druge snovi. Velikost modelskih atomov

in velikost magneta morata po velikosti biti primerljivi. Vse skupaj sestavite tako, kot je

prikazano na sliki 4b in 4c. Pri tem pazimo, da zgoščenko obrnemo tako, da je njen sijoči del

obrnjen navzgor. Zgoščenko uporabimo zaradi njenih elastičnih in reflektivnih lastnosti.

Slika 4: a) sestavni deli modela AFM-ja, b) sestavljen model AFM c) model atomov

Model AFM postavimo dva metra od table, na katero nalepimo karo papir. Laserski snop

nato usmerimo tako, da sveti na karo papir in tam označimo ničlo. Definirajmo koordinatni

sistem tako, da ordinatna os narašča navzdol in abscisna os v levo. Laser pustimo pri miru in

c

)

)

8

enakomerno premikamo vzorec iz zamaškov. Merimo razdaljo, za katero se laserski žarek

odkloni in jo nato vnesemo v koordinatni sistem, glede na to koliko smo se premaknili.

Koordinatni sistem s sliko modela atomov lahko dijakom podamo že pripravljen. Na ordinatni

osi označimo lego laserskega žarka od izhodišča v centimetrih, na abscisno os nanesemo

premik vzorca. Poleg tega lahko v vertikalni smeri nanesemo tudi silo, ki deluje med vzorcem

in tipalom modela. Skalo v newtonih umerimo tako, da na tipalo modela AFM pritrdimo

kovinski objekt z znano maso in na tabli izmerimo odmik laserskega žarka od izhodišča. Sila s

katero objekt upogne tipalo, je približno enaka sili s katero Zemlja privlači objekt. Dobljene

meritve bodo podobne kakor na sliki 5, kar je seveda odvisno od sestave vašega vzorca.

Meritve najlažje primerjamo z modelom vzorca tako, da sliko modela vzorca od strani

natisnemo na karo list, ki ima že v naprej narisan koordinatni sistem, kot sem ga omenila

zgoraj. V pravem AFM se premika vzorec in tipalo miruje, kakor pri modelu AFM. Vzorec v

pravem AFM potuje od leve proti desni, nato se premakne za eno vrstico nazdol in nadaljuje

svojo meritev od desne proti levi ter pri tem meri silo.

Slika 5: Izmerjene vrednosti in originalni vzorec

Dijakom moramo pojasniti, da tako sestavljen model AFM, deluje na principu privlačne

magnetne sile. Med magnetom in kovinskim pokrovčkom deluje privlačna sila, ki povzroči

upogib tipala. Na tabli to spremembo opazimo, kot odmik od ravnovesne lege laserskega

žarka v smeri navzdol. Ko vrisujemo točke na karo papir pa vedno označimo ničlo v primeru,

ko je sila med tipalom in vzorcem nič in je tipalo v mirovni legi. Odmik žarka v smeri navzdol

na karo papir označimo kot pozitivni odmik in s tem definiramo silo, ki deluje med vzorcem

in tipalom kot privlačno in pozitivno. Slednjo lahko izračunamo iz Hookovega zakona F= - kz,

kjer z predstavlja odmik laserskega žarka, ki smo ga izmerili, k pa elastično konstanto tipala.

Iz slike 5 lahko jasno opazimo globel med tretjim in četrtim kovinskim pokrovčkom ter med

prvim in drugim pokrovčkom. Konica modela AFM-ja je precej velika in nam omejuje spodnjo

mejo ločljivosti pri raziskovanju vzorca. To pomeni, da lahko vzorec modela premaknemo za

največ 5 mm, kolikor je polmer magneta. Upoštevati pa moramo tudi nenatančnost premika

vzorca.

Ta način preiskovanja pripravljenega vzorca in spoznavanja AFM-ja je najbolj primeren za

delo v skupinah.

9

Z uporabo naprave na sliki 6., lahko raziskujemo vzorce, ki niso iz kovine in niso omejeni

samo na eno vrstico. Tak model AFM-ja se je še približal delovanju pravega AFM. Vzorec

lahko izdelamo iz lesenih teles, ki jih prilepimo na leseno podlago. Raziskujemo ga z

preprosto napravo, ki položaj tipala spremeni v velikost električnega toka. Pri merjenju

odčitujemo na voltmetru napetost glede na višino vzorca, kjer se trenutno nahajamo s

tipalom.

Slika 6: Drugi kontaktni model AFM-ja

Od tod sledi, da moramo pred uporabo modela AFM določiti, pri kateri napetosti je višina

nič. Tipalo je železna krogljica obešena preko ribiškega laksa na ročko potenciometer. Ko je

kroglica na ravni leseni podlagi, zabeležimo napetost, ki nam jo podaja voltmeter. S

sukanjem ročke potenciometra se spreminja upor potenciometra in tudi napetost na

voltmetru. Vzorec zastremo s škatlo tako, da ga ne vidimo. Na ta način zagotovimo pogoje, ki

so enakovredni raziskavam s pravim modelom AFM-ja. Položaj vzorca v ravnini premikamo in

ga določimo s pomočjo ravnil. Tako lahko s pomočjo potenciometra določimo višino vzorca iz

napetosti, ki jo odčitamo na voltmetru. V Excelu narišemo tro dimenzionalni model našega

vzorca, ki ga primerjamo s sliko le tega (slika 7). Ločljivost slike lahko izboljšamo z bolj

natančno konico in z manjšimi premiki vzorca.

Slika 7: Vzorec, ki ga preiskujemo (levo) in sliki vzorca dobljeni iz meritev (desno)

2.3. Oscilirajoči način slikanja z AFM [4] Za prikaz delovanja AFM-ja v oscilirajočem načinu, se lahko poslužimo prvega modela AFM,

ki je opisan zgoraj in deluje na kontaktni način. Seveda pa moramo prejšnji model AFM

popraviti, da oscilira. To storimo s pomočjo tuljave in sinusnega generatorja. S pomočjo

dodatnih elementov vzbudimo tipalo, da niha v resonanci.

10

Na sliki 6 je prikaz sestavljene naprave, ki deluje na oscilirajoč način. Tuljavo tako kot na sliki

pritrdimo na nosilec iz bakrene žice, ki jo zalepimo na ohišje iz lego kock (s pomočjo toplega

lepila). Tuljavo nato priključimo na sinusni generator, ki omogoči, da tipalo zaniha.

Slika 8: a) tuljava in b) AFM med delovanjem v oscilirajočem načinu

Pri oscilirajočem načinu je pred uporabo potrebno nastaviti frekvenco toka v tuljavi, da je

tipalo modela v resonanci.

Ko je tipalo modela v resonanci lahko približamo vzorec, ki ga preiskujemo in ga postopoma

premikamo. Tipalo modela AFM neprestano vzbujamo z isto frekvenco, ko pa pod njega

postavimo vzorec, prisotnost le-tega spremeni lastno frekvenco tipala in amplituda pade.

Tipalo ne niha več z lastno frekvenco, zaradi privlačne sile, ki se pojavi med tipalom in

vzorcem. Izmerimo dolžino poti, ki jo opiše laserski žarek na tabli (slika 9). Podatke ponovno

vnašamo na v naprej pripravljen delavni list.

Slika 9: Pot, ki jo laser prepotuje.

Ko izmerimo vse podatke in jih vnesemo v koordinatni sistem, lahko primerjamo dobljeni

graf z vzorcem. Najmanjši odmik amplitude je v meritvi nad plastičnim pokrovčkom, od tod

11

opazimo, da so meritve obrnjene na glavo. Izmerjene vrednosti z oscilirajočim načinom, so

zelo podobne meritvam, ki jih opravimo s kontaktnim modelom AFM.

Če narišemo grafa, kjer na ordinato nanesemo silo, na absciso pa odmik modela tipala,

dobimo premico. Naklon premice predstavlja elastično konstanto modela tipala. Poleg sile

tipala, ki jo izračunamo preko Hookovega zakona Ft = - k z, moramo upoštevati tudi silo, ki

deluje med konico modela in atomi modela (v našem primeru magnetom in zamaški). V

modelu AFM imamo magnet in kovinske zamaške in je zato sila privlačna. Sila med atomi in

tipalom povzroči povečanje osnovne frekvence.

Primernost uporabe modela v razredu Simulacijo AFM-ja na kontaktno silo so preizkusili v številnih primerih, z dijaki, učenci in na

seminarjih z učitelji. Za zgled naj podam izkušnje, ki sta jih posredovali Danica Mati Djuraki in

Dr. Dagmara Sokolowska. Prvi primer je bil v osnovni šoli, kjer so učenci osmih razredov

preiskusili delovanje modela. Pri tem so se ločili na skupine po spolu in učiteljica je poročala,

da so bili pri delu z napravo bolj uspešni dečki. V skupinah je bilo sprva precej težav z

delitvijo dela, ko so to razrešili so vsi brez težav sledili navodilom in vajo hitro opravili.

Drugi primer preizkušanja modela je bil opravljen v Krakovu na skupini najstnikov od 13. do

19. leta starosti med letoma 2007 in 2009. Sodelovalo je preko štiristo dijakov, ki so bili

razdeljeni v skupine od tri do štiri dijake. Poročali so, da so skupine treh dijakov najbolj

primerne za nemoteno delo vseh članov. V tem primeru so morali dijaki sami sestaviti model

AFM-ja in ga tudi uporabiti. Ključna naloga pri celotnem postopku je bilo poslušanje drugih

članov skupine in medsebojno sodelovanje.

Model AFM-ja je po poročanju obeh učiteljic odličen pripomoček za poučevanje. Zaradi svoje

preproste sestave je primeren, da ga dijaki sestavijo sami in z njim tudi preprosto rokujejo.

Pri raziskovanju ni potrebna uporaba računalnika in je zato zlahka prenosljiv. Dijaki se z

njegovo pomočjo naučijo laboratorijskega dela in nekaj o delovanju AFM-ja na zelo preprost

in učinkovit način.

Zaključek AFM je tehnološko pomembna naprava, ki je poleg STM-ja omogočila pogled v nano svet in tako

poznavanje in nato razvijanje nanodelcev. Ti so danes našli mesto že v vsakem kotičku našega

življenja. Prav iz tega razloga so se profesorji in znanstveniki združili ter začeli skupaj oblikovati

vsebine in eksperimente primerne za vpeljavo v šole. Model AFM-ja je bil en prvih poskusov, ki so ga

že preiskusili v šolah in je naletel na pozitivne odzive. S tem modelom je bila presežena meja, ko se

lahko o nanotehnologiji v šoli pogovarjamo samo na nivoju zgodbic, zaradi predznanja dijakov. S

preprostimi analogijami lahko dijakom podamo predstavo o delovanju še tako zakompliciranih

naprav kot je AFM. Profesorji vidijo v poučevanju nanotehnologije dobro izhodišče za medpredmetno

povezovanje. Menim, da je fizika v zadnjih desetletjih močno napredovala. Prav s takimi temami

lahko dijakom pokažemo, da fizika ni starodavna veda ampak, da se neprestano spreminja.

12

Literatura [1] Z. Samardžija, Osnove metod SEM in AFM za preiskave površin, Vakuumist, 24/1-2

(2004), 4-12.

[2] S.T. Thornton, A. Rex, Modern physics forscientists and engineers, Saunders

college publishing, 2000, 214- 215.

[3] B. Rogers, J. Adams, S. Pennathur, Nanotechnology, Taylor & Francis Group, 2008,

170- 185.

[4] Planinšič G. In Kovač J., 2008, Nano goes to school: a teaching model of the atomic

force microscope, Phys. Educ. 43, 37 – 45

[5] Planinšič G., Lindell A. In Remskar M., 2009, Themes of nanoscience for the

introductory physics course, Eur. J. Phys. 30, 17-31