איך ניתן לקבוע זהות כימית של אטום באמצעות מיקרוסקופ?

בחיי היום יום קל מאד לקבוע אם חומר הוא, למשל, פלדה, אבן, עץ או פלסטיק - אבל בקנה מידה אטומי הדבר קשה מפני שהמאפיינים היום-יומיים האלה חסרים. ובכל זאת, צוות של פיזיקאים פיתח שיטה לקביעת "טביעת אצבע" אטומית באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) שבכוחה לקבוע את זהותם הכימית של אטומים יחידים המצויים על גבי משטח המורכב מאטומים מסוגים שונים בערבוביה.

"עד היום, לא הייתה בידינו שום שיטה המאפשרת לזהות אטום אחר אטום ולראות את כולם בעת ובעונה אחת," אומר רובן פרז מן האוניברסיטה העצמאית של מדריד. באמצעות גישת ה-AFM שלהם, הצליחו אוסקר קוסטנסה ועמיתיו באוניברסיטת אוסקה, בשיתוף עם פרז ועמיתיו ואחרים, להבדיל בין אטומי בדיל, צורן (סיליקון) ועופרת, הדומים אלו לאלו מבחינה כימית. תמונת האטומים שהתקבלה מזכירה ציור מגורען, שבו אפשר להבחין בין ה"גרגרים" - האטומים היחידים - באמצעות צבעים מלאכותיים.

היכולת לזהות אטומים ולבצע עליהם פעולות שונות זכתה לפרסום בפעם הראשונה ב-1989, כשמדענים מחברת IBM סרטטו את הלוגו של החברה באמצעות אטומי קסנון. באותם ימים הסתמכו הפיזיקאים על מיקרוסקופ מִנהור סורק (STM), המגלה אטומים באמצעות זרימה קלה של אלקטרונים בין קצה המיקרוסקופ לבין אטום. עם זאת, ה-STM יכול לזהות אך ורק אטומים של חומרים המוליכים חשמל.

לעומת זאת, טכניקת טביעת האצבע באמצעות AFM פועלת על חומרים מוליכים ומבודדים כאחד. ה-AFM דומה לפטיפון: הוא משתמש במחט דקיקה ביותר המותקנת על תמוכה גמישה. המחט נגררת לאורכו של משטח ומקפצת מעלה מטה כשהיא נתקלת באטומים שעל גביו. למעשה נגרמות התנודות בשל כוחות המשיכה הנובעים מראשית היווצרותו של קשר כימי בין הצורן שבקצה המחט לבין האטומים שעל המשטח.

הצוות היפני-ספרדי הראה כי תדירות התנודות תלויה בזהות הכימית של האטום. היא מאפשרת אפוא לחוקרים לזהות אטומים מסוגים שונים אפילו אם הם מפוזרים. "זה כמו לזהות עץ מסוים בתוך יער רועש וסבוך," אומר פרז.

בעבודת מחקר קודמת, הראו קונסטנסה וצוותו כי הם מסוגלים להזיז באמצעות ה-AFM אטומי בדיל הצמודים בחזקה למשטח גרמניום, וכתבו בשיטה זו את האותיות "Sn" (הסימן הכימי של בדיל). שילוב השיטה הזו עם קביעת טביעת האצבע האטומית פותח לפני ה-AFM אפשרויות מסעירות.

חוקרים יוכלו אולי "לראות באופן מוחשי כיצד מתרחשות תגובות כימיות בכושר הפרדה של אטומים יחידים," אומר קוסטנסה. הוא מוסיף כי מאחר שהמיקרו-אלקטרוניקה מתכווצת לתחום הננומטרי, שבו 2,000 טרנזיסטורים אינם רחבים כיום מרוחב שערת אדם - הרי ש"די לסדר כמה אטומים בדפוסים מוגדרים מראש, כדי להגדיל את ביצועיהם של התקנים אלקטרוניים".

כתב: לואיס מיגל אריזה. מתוך גיליון אוגוסט-ספטמבר של Scientific American ישראל