Gesundheit

Sehen und die Vermeidung der ‚blinde Fleck‘ in Atom-Kraft-Messungen

Forscher haben entdeckt, ein ‚Blinder Fleck‘ in der Atom-Kraft-Mikroskopie — ein leistungsstarkes tool zur Messung der Kraft zwischen zwei Atomen, imaging die Struktur der einzelnen Zellen und die Bewegung von Biomolekülen.

Atome sind rund ein Zehntel Nanometer in der Größe, oder eine million mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares.

Die neue Studie zeigt, dass die Genauigkeit des atomic-force-Messungen hängt davon ab, welche Kraft Gesetze in Kraft sind.

Kraft der Gesetze, die sich in der neu entdeckten `blind spot‘ – das sind gemeinsame in der Natur sind-können zu falschen Ergebnissen führen. Die Studie auch Informationen über eine neue mathematische Methode, um zu sehen und zu vermeiden, diesen blinden Fleck, der Wahrung der atomic-force-Messungen von ungenauen Ergebnissen.

Professor John Sader von der Universität von Melbournes Schule für Mathematik und Statistik und dem Australian Research Council Centre of Excellence in Exziton Wissenschaft, führte die Forschung mit der University of Melbourne Forscher Barry Hughes und Ferdinand Huber und Franz Giessibl von der Universität Regensburg in Deutschland. Die Arbeit ist veröffentlicht heute in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology.

„Das atomic force Mikroskop (AFM) bietet eine exquisite Auflösung auf atomarer und molekularer Skala. Es hat auch die Bemerkenswerte Fähigkeit zur Messung der Kraft zwischen zwei Atomen“, so Professor Sader sagte.

Das AFM verwendet eine kleine cantilever beam (dessen Länge der Breite eines menschlichen Haares) zu fühlen, die Form der Oberfläche und spüren die Kräfte, auf die es trifft-in der gleichen Weise, dass Sie den Stift oder Nadel von einem Plattenspieler betreibt, mit einer scharfen Spitze am cantilever Ende die Interaktion mit der Oberfläche.

Ermöglichen präzise Messungen auf atomarer Skala, die cantilever (und der Spitze) geschaukelt wird ‚dynamisch‘ nach oben und unten in Ihrer natürlichen Resonanzfrequenz-leicht von der Oberfläche entfernt. Die eigentliche Kraft erlebt durch die Spitze erholte sich von dieser gemessenen Frequenz.

Die Forscher können jetzt zeigen, dass diese dynamische Messung verwischt die Atomare Kraft, die das entfernen von Daten, die Wiederherstellung der tatsächlichen Gewalt problematisch sind — die Schaffung eines wirksamen ‚blind spot‘.

„Die wiederhergestellte Kraft kann nichts Aussehen wie die wahre Kraft“, so Professor Sader sagte. „Es ist bemerkenswert, dass diese Frage völlig abwesend für einige Atom-Kraft-Gesetze, während für andere, es entsteht ein wirkliches problem.

„Dynamische Kraftmessungen effektiv Blick auf die Atom-Kraft durch eine unscharfe Linse. Ein mathematischer Algorithmus ist dann erforderlich, um zu konvertieren, um eine wirkliche Kraft.“

Im Jahr 2003 Professor Sader und Kollegen vom Trinity College in Dublin entwickelt diese algorithmen — genannt Sader-Jarvis-Methode-das ist weit verbreitet, sich zu erholen Atomare Kraft dieser verschwommene Frequenz-Messung.

„Es gab keinen Hinweis, dass diese Unschärfe könnte ein Problem sein, da die dynamische AFM-Technik wurde erfunden im Jahre 1992. Viele unabhängige Wissenschaftler haben es erforscht und gezeigt, dass alle standard-Kraft, die Gesetze geben sehr robuste Ergebnisse“, so Professor Sader sagte.

„Dann, im letzten Jahr, Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und co-Autoren dieser Studie von der Universität Regensburg sah eine Anomalie zum ersten mal in Ihren Messungen und vermittelt es mir. Ich war überrascht zu sehen, dass diese Anomalie und interessiert, die Ursache zu identifizieren.“

Die Forscher fanden heraus, dass mathematische Funktionen der Frequenz-Messungen hatten, effektiv versteckt das problem in plain sight.

„Das Problem ist mathematisch subtiler“, so Professor Sader sagte. „Höhere Gesetze, die gehören zu so genannten Laplace-Raum — jeder hat geprüft-sind in Ordnung. Es ist die, die nicht Teil dieses Raumes, die das problem verursachen-und es gibt viele von denen in der Natur.“

Durch die Betrachtung der details dieser Subtilität, Professor Sader in der Lage war zu formulieren, eine neue mathematische Theorie und Methode, die erkennt, wenn das Unschärfe-Problem stellt sich bei einer realen Messung, so dass die AFM-Praktiker, es zu vermeiden.

„Ich denke gern an unsere Entdeckung geben, um Praktikern die Möglichkeit zu sehen, ein ‚pot hole‘ in die Fahrbahn, und damit es keine Schäden. Vorher, dieser Topf Loch hatte, unbemerkt und Fahrer waren manchmal die Lenkung ganz direkt an“, so Professor Sader sagte.

„Der nächste Schritt ist, um zu versuchen und zu verstehen, wie Sie diesen ‚blinden Fleck‘ und ‚pot hole‘ ganz.

„Unsere Arbeit unterstreicht auch die Bedeutung der Mathematiker und Experimentalphysiker gemeinsam zu lösen, ein wichtiges technologisches problem. Ohne beide Fähigkeiten-sets, würde dieses problem nicht erkannt und gelöst. Es hatte unbemerkt seit mehr als 25 Jahren.“

Professor Sader sagte, dass dieses neue Verständnis kann Einblick in den Betrieb von anderen dynamischen AFM-Kraftmessungen durch die Identifizierung einer bisher unerforschten Funktion.