原子力显微镜被用来扫描化学过程

原子力显微镜(AFMs)被设计用来捕捉小到纳米的结构图像——比人类头发的宽度还小一百万倍。近年来，原子力显微镜已经制作出了桌面级的原子大小结构特写，从单链DNA到分子间的单个氢键。

但扫描这些图像是一个细致而耗时的过程。因此，原子力显微镜主要用于对静态样品成像，因为它们太慢，无法捕捉活跃的、不断变化的环境。

麻省理工学院的工程师们设计了一种原子力显微镜，扫描图像的速度比现有的商业模型快2000倍。利用这种高速仪器，研究小组以接近实时视频的速度拍摄了纳米级化学过程的图像。

在一次仪器能力的演示中，研究人员扫描了一个70 × 70微米的方解石样品，因为它首先浸入去离子水中，然后暴露在硫酸中。研究小组观察到，酸侵蚀方解石，扩大了材料中现有的纳米大小的凹坑，这些凹坑迅速合并，导致方解石沿着材料的晶体模式逐层去除，持续时间为几秒钟。

麻省理工学院机械工程教授Kamal Youcef-Toumi说，该仪器的灵敏度和速度将使科学家能够像高分辨率的“电影”一样观察原子大小的过程。

Youcef-Toumi说:“例如，人们可以看到物质的凝结、成核、溶解或沉积，以及这些是如何实时发生的——这是人们以前从未见过的。”“看到这些细节浮出水面真是太棒了。这将为在纳米尺度上探索整个世界提供巨大的机会。”

该小组的设计和图像是基于Iman Soltani Bozchalooi的博士作品，他现在是机械工程系的博士后，发表在杂志上Ultramicroscopy．

大局

原子力显微镜通常使用超细探针或针头扫描样品，这种探针或针头沿着样品表面滑动，追踪其地形，类似于盲人阅读盲文的方式。样品放在一个可移动的平台或扫描仪上，该平台或扫描仪可以在探针下方横向和垂直移动样品。由于原子力显微镜扫描非常小的结构，仪器必须逐行缓慢地工作，以避免任何可能改变样品或模糊图像的突然运动。这种传统的显微镜通常每秒扫描一到两行。

Youcef-Toumi说:“如果样本是静态的，花8到10分钟来拍照是可以的。”“但如果它正在发生变化，那么想象一下，如果你从顶部开始非常缓慢地扫描。当你到达底部时，样本已经发生了变化，所以图像中的信息是不正确的，因为它随着时间的推移而被拉伸。”

为了加快扫描过程，科学家们尝试建造更小、更灵活的平台，以更快地扫描样本，尽管扫描面积更小。Bozchalooi说，这种扫描仪虽然速度很快，但不允许科学家缩小到更大的视野或研究更大的特征。

Bozchalooi说:“这就像你在美国的某个地方着陆，不知道你要降落在哪里，只被告知你要降落在哪里，你只被允许环顾几个街区，并且高度有限。”“你不可能看到更大的图景。”

同步扫描

Bozchalooi提出了一种设计，可以在大范围和小范围内进行高速扫描。主要的创新集中在多驱动扫描仪及其控制上:一个样品平台包含一个更小、更快的扫描仪和一个更大、更慢的扫描仪，用于每个方向，它们作为一个系统一起工作，以高速扫描广泛的3d区域。

其他多驱动扫描仪的尝试一直受阻，主要是由于扫描仪之间的相互作用:一台扫描仪的运动可能影响另一台扫描仪的精度和运动。研究人员还发现，很难单独控制每个扫描仪，并让它们与显微镜的其他组件一起工作。Bozchalooi说，为了扫描每个新样本，科学家需要对仪器中的多个组件进行多次调谐和调整。

为了简化多驱动仪器的使用，Bozchalooi开发了控制算法，考虑了一个扫描仪对另一个扫描仪的影响。

Bozchalooi说:“我们的控制器可以在不刺激大扫描仪的情况下移动小扫描仪，因为我们知道什么样的运动可以触发大扫描仪，反之亦然。”“最后，它们是同步工作的，所以从科学家的角度来看，这个扫描仪看起来像一个单一的、高速的、大范围的扫描仪，不会给仪器的操作增加任何复杂性。”

在优化了显微镜上的其他组件，如光学、仪器和数据采集系统后，研究小组发现，该仪器能够向前和向后扫描方解石样品，而不会损坏探针或样品。该显微镜扫描样品的速度超过2000赫兹，即每秒4000行，比现有的商用AFMs快2000倍。这相当于每秒8到10帧。Bozchalooi说，该仪器对成像范围没有限制，对于最大探测速度，可以扫描数百微米，以及几微米高的图像特征。

Youcef-Toumi说:“我们想要真正的视频，至少每秒30帧。”“希望我们能够改进仪器和控制，这样我们就可以在保持其大范围和用户友好的同时进行视频速率成像。这将是一件很棒的事情。”

麻省理工学院(MIT)

www.mit.edu

- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和能源新闻．

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