Les pionniers de l'AFM honorés du prix Kavli en nanoscience

Après 30 ans et plus de 9 000 citations, les inventeurs du microscope à force atomique (AFM) ont reçu le prix Kavli en nanoscience.

Gerd Binnig et Christoph Gerber dans les années 1990.

Le prix Kavli est partagé entre Gerd Binnig, Christoph Gerber et Calvin Quate. Binnig et Gerber étaient précédemment basés à IBM Research – Zurich, tandis que Quate était à l'Université de Stanford. Pendant un congé sabbatique, Binnig était à Stanford et Gerber à IBM Research à San Jose (aujourd'hui Almaden), favorisant une collaboration étroite.

Les trois scientifiques ont été honorés « pour l'invention et la réalisation de la microscopie à force atomique, une percée en technologie de mesure et de nanosculpture qui continue d'avoir un impact transformateur sur la nanoscience et la technologie. »

L'AFM a été décrit pour la première fois dans un numéro du 3 mars 1986 de Physical Review Letters sous le titre concis « Atomic Force Microscope ». L'appareil combinait les principes de la microscopie à effet tunnel (STM) avec un profilomètre à stylet, permettant l'imagerie à résolution atomique.

Binnig, qui a aussi co-inventé le STM avec le défunt Heinrich Rohrer, a reçu le prix Nobel de physique en 1986 pour ce travail. Il a plus tard crédité l'idée de l'AFM à une intuition subconsciente qu'il a eue allongé sur un canapé, comme noté dans une interview de 2004 dans IEEE Spectrum Magazine.

Pendant son séjour à Stanford, Binnig a fait appel à l'expertise de Calvin Quate et de son collègue IBM Christoph Gerber — qui avaient déjà collaboré sur le STM — pour amener l'AFM du concept à la réalité.

Dans une interview récente avec Physics World marquant le 30e anniversaire, Gerber a réfléchi sur l'évolution de l'invention :

« Gerd a suggéré que nous pourrions mesurer les forces interactives entre pointe et échantillon, plutôt que le courant de tunnel, et qu'un levier pourrait faire cela. Nous avons fait un calcul approximatif et réalisé que pour atteindre la résolution atomique, il fallait détecter des forces au niveau de 10^–10 N voire 10^–11 N ! »

La capacité de sentir de telles forces minimes reposait sur deux matériaux clés : l'or et le diamant. Gerber a expliqué :

« Le cœur de l'appareil était une feuille d'or très fine, seulement quelques microns d'épaisseur, utilisée comme levier. Nous avons attaché un fragment de diamant broyé — originellement d'un stylet de platine — au levier pour servir de pointe. »

Bien que la résolution atomique n'ait pas été atteinte immédiatement, l'équipe était assez proche pour soumettre un article. En un an, ils ont développé un levier en silicium fabriqué par lots qui a produit les premières images à résolution atomique sur une surface de graphite.

Après cette étape, le trio a poussé la technologie AFM dans de nouvelles directions, surtout dans la conception de leviers et les applications.

Binnig a été pionnier d'une sonde massivement parallèle pour le nanostructurage, visant à développer de la mémoire non volatile. Son travail a déclenché une vague d'innovations en techniques de nanopatterning.

Gerber a fait progresser un « nez artificiel » utilisant un réseau de leviers, atteignant des percées en diagnostics chimiques, biochimiques et médicaux. Il continue cette recherche avec son groupe à l'Université de Bâle, Suisse.

Quate s'est concentré sur les leviers micromécaniques pour applications de détection dans la découverte de médicaments, diagnostics alimentaires, caractérisation de matériaux et détection d'explosifs.

Au cours des trois dernières décennies, les instruments AFM ont évolué de manière spectaculaire, améliorant la sensibilité et la résolution tout en s'étendant à des domaines divers.

En 2008, Markus Ternes et collègues d'IBM Research – Almaden ont utilisé l'AFM pour faire glisser des atomes uniques sur une surface et mesurer directement les forces impliquées.

L'année suivante, une équipe d'IBM Research – Zurich, dirigée par Gerhard Meyer et Leo Gross, a modifié la pointe de l'AFM avec une seule molécule de monoxyde de carbone. Cette pointe diatomique, de moins d'un nanomètre de long, a produit des images résolvant la structure chimique interne de molécules individuelles — des liaisons chimiques en temps réel.

Gross a noté : « Un différenciateur principal de notre technique est que nous mesurons des molécules uniques. Un autre avantage est que nous pouvons utiliser la pointe pour initier des réactions chimiques de molécules individuelles et suivre les produits à l'échelle atomique. »

Meyer, Gross et Bruno Schuler ont récemment publié un article sur le 30e anniversaire de l'AFM dans Physics World, affirmant :

« L'AFM à haute résolution offre des opportunités de comprendre et contrôler les processus physiques, chimiques et biologiques au niveau de molécules individuelles. Les améliorations continues en sensibilité de force, résolution temporelle et spatiale repousseront les frontières de la nanoscience encore plus loin. Peut-être qu'en 30 ans l'AFM pourrait évoluer vers un assembleur atomique, comme Richard Feynman l'avait imaginé dans sa conférence de 1959 « There's Plenty of Room at the Bottom » — un outil qui pourrait construire des dispositifs, métamatériaux et molécules 3D atomiquement précis. »

« Quoi qu'il en soit, il n'y a aucun doute que l'AFM continuera à mener des découvertes de la physique fondamentale à la chimie et aux sciences de la vie, démêlant les mécanismes les plus énigmatiques de la nature à l'échelle nanométrique et au-delà. »

C'est le deuxième prix Kavli décerné à un scientifique d'IBM. Don Eigler a reçu le prix Kavli en nanoscience 2010 pour avoir développé la manipulation d'atomes et élucidé les phénomènes quantiques avec des arrangements atomiques et moléculaires précisément contrôlés sur les surfaces.

Les prix Kavli honorent les scientifiques qui pionnient les avancées dans notre compréhension de l'existence à ses échelles les plus grandes, les plus petites et les plus complexes. Décernés tous les deux ans en astrophysique, nanoscience et neurosciences, chaque prix porte une dotation de 1 million $ (US). Les lauréats sont sélectionnés par des comités dont les membres sont recommandés par six des sociétés et académies scientifiques les plus renommées au monde.