Pionniers de l'AFM récompensés par le prix Kavli

30 ans et 9 000 citations plus tard, les inventeurs du microscope à force atomique (AFM) ont reçu aujourd'hui le prix Kavli en nanosciences.

Gerd Binnig et Christoph Gerber dans les années 1990.

Le Prix est partagé entre Gerd Binnig, Christoph Gerber et Calvin Quate. Binnig et Gerber étaient auparavant chez IBM Research - Zurich et ils ont collaboré avec Quate de l'Université de Stanford, pendant un congé sabbatique (Binnig à Stanford, Gerber à IBM Research à San Jose, maintenant Almaden).

Les trois scientifiques reçoivent le prix "pour l'invention et la réalisation de la microscopie à force atomique, une percée dans la technologie de mesure et la nanosculpture qui continue d'avoir un impact transformateur sur la nanoscience et la technologie ."

L'AFM a été publié pour la première fois le 3 mars 1986 dans la revue à comité de lecture Physical Review Letters avec le titre simple « Atomic Force Microscope ». L'invention combinait les principes de la microscopie à effet tunnel (STM) et du profilomètre à stylet pour détecter la résolution atomique. Binnig a co-inventé la STM quelques années plus tôt avec feu Heinrich Rohrer et ils ont tous deux reçu le prix Nobel de physique en 1986.

Binnig, qui est uniquement répertorié sur le premier brevet, a été cité dans IEEE Spectrum Magazine en 2004 disant que l'idée de l'AFM lui est venue inconsciemment alors qu'il était allongé sur le canapé. À Stanford, il a impliqué Calvin Quate et son collègue d'IBM Christoph Gerber, avec qui il avait déjà collaboré pour le développement de la STM, et ensemble ils ont réalisé l'AFM.

Gerber, qui a récemment été interviewé dans le magazine Physics World à propos du 30e anniversaire de l'AFM, a commenté l'évolution de l'invention :

« Gerd a suggéré qu'il serait possible de mesurer les forces interactives, plutôt que le courant, entre la pointe et l'échantillon, et que nous pourrions peut-être le faire avec un porte-à-faux. Nous avons fait un calcul approximatif et réalisé que pour obtenir une résolution atomique, nous devions être capables de détecter des forces au niveau de 10 ^–10   N ou même 10 ^–11  N ! ”

Le secret pour mesurer les minuscules forces atomiques a été livré par deux éléments précieux :l'or et le diamant. Commentaires de Gerber dans Physics World :

« Le cœur de l'appareil était une feuille d'or très fine de quelques microns d'épaisseur seulement utilisée comme porte-à-faux. Nous avons pris un fragment d'un diamant concassé obtenu à partir du stylet d'un tourne-disque et l'avons collé sur le cantilever pour servir de pointe. »

« Nous n'avons pas obtenu la résolution atomique tout de suite, mais nous étions suffisamment proches pour soumettre un article de journal. En moins d'un an, nous disposions d'un instrument plus avancé basé sur un porte-à-faux en silicium fabriqué par lots qui montrait pour la première fois une résolution atomique sur une surface en graphite. »

Après leurs travaux fondateurs, les trois ont poussé la technologie AFM dans plusieurs nouvelles directions, en particulier en ce qui concerne la conception et les applications en porte-à-faux.

Binnig a adapté la conception en porte-à-faux pour créer une sonde massivement parallèle pour la nanostructuration, visant le développement de la mémoire non volatile. Ce travail a engendré un certain nombre d'innovations, y compris des techniques de nanopatterning.

Chez IBM, Gerber a développé un « nez artificiel » utilisant un réseau en porte-à-faux, qui a fait ses preuves dans les domaines des réactions chimiques et biochimiques ainsi que dans les applications médicales. Il poursuit cette recherche aujourd'hui dans son groupe de recherche à Bâle, en Suisse.

Quate s'est concentré sur les cantilevers micromécaniques pour les applications de détection pour la découverte de médicaments, le diagnostic des aliments, la caractérisation des matériaux et la détection d'explosifs.

Au cours des 30 dernières années, les instruments AFM ont connu un développement considérable en ce qui concerne la sensibilité, la résolution et l'application dans divers domaines.

Par exemple, en 2008, Markus Ternes et ses collègues d'IBM Research - Almaden ont utilisé ce schéma de détection pour faire glisser des atomes uniques sur une surface à l'aide d'un AFM et également pour mesurer directement les forces impliquées.

Un an plus tard, une équipe de scientifiques d'IBM à Zurich, dirigée par Gerhard Meyer et Leo Gross, a modifié la pointe de leur AFM avec une seule molécule de monoxyde de carbone. Cette molécule diatomique, qui mesure moins d'un nanomètre de long, a produit des images avec une résolution si élevée que la structure chimique interne d'une seule molécule a pu être résolue (liaisons chimiques).

Gross commente :« L'un des principaux différenciateurs de notre technique, par rapport aux autres techniques établies, 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 nous pouvons suivre les réactions et étudier leurs produits à l'échelle atomique. »

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

« Il est important de noter qu'un AFM haute résolution offre des possibilités de comprendre et de contrôler les processus physiques, chimiques et biologiques au niveau des molécules individuelles. Les améliorations continues de la sensibilité à la force et de la résolution temporelle et spatiale repousseront les frontières de la nanoscience. Peut-être que dans 30 ans, l'AFM pourrait être encore amélioré vers un assembleur atomique, comme l'a abordé Richard Feynman dans son célèbre discours de 1959 « Il y a beaucoup de place en bas » :un outil qui pourrait construire des dispositifs, des métamatériaux et des molécules arbitraires et 3D de précision atomique. ."

« Dans tous les cas, il ne fait aucun doute que l'AFM continuera à promouvoir les découvertes de la physique fondamentale jusqu'à la chimie et les sciences de la vie, en dévoilant les mécanismes les plus énigmatiques de la nature à l'échelle nanométrique et au-delà. »

C'est la deuxième fois que des scientifiques d'IBM reçoivent le prix Kavli. Don Eigler a remporté le prix Kavli 2010 en nanosciences pour le développement de la manipulation des atomes et pour l'élucidation des phénomènes quantiques avec des arrangements atomiques et moléculaires contrôlés avec précision sur les surfaces.

Les prix Kavli récompensent les scientifiques pour leurs avancées pionnières dans notre compréhension de l'existence à ses échelles les plus grandes, les plus petites et les plus complexes. Présentés tous les deux ans dans les domaines de l'astrophysique, des nanosciences et des neurosciences, chacun des trois prix internationaux est doté d'un million de dollars (États-Unis). Les lauréats sont choisis par des comités dont les membres sont recommandés par six des sociétés et académies scientifiques les plus renommées au monde.