发现并避免原子力测量中的“盲点”

研究人员发现了原子力显微镜的“盲点”——一种强大的工具，可以测量两个原子之间的力，并对单个细胞的结构和生物分子的运动进行成像。

原子的大小约为十分之一纳米，比人类头发的宽度小一百万倍。

新的研究表明，原子力测量的准确性取决于哪些力定律是有效的。

存在于新发现的“盲点”中的强制性法律——在自然界中很常见——可能会导致不正确的结果。该研究还详细介绍了一种新的数学方法，它可以检查和避免这一盲点，并保护原子力的不准确测量结果。

澳大利亚研究理事会中心墨尔本大学医学院的约翰萨德尔(John Sadr)教授领导了这项研究，他在数学、统计和激子方面都很出色，同时参与研究的还有德国雷根斯堡墨尔本大学的研究员巴里休斯(Barry Hughes)和弗朗兹的费迪南胡贝尔(Ferdinand huber)和吉西布尔大学(Giessibl University)。这项工作发表在今天的《自然纳米技术》杂志上。

“原子力显微镜(AFM)提供原子和分子级别的精确分辨率。它还具有测量两个原子间作用力的非凡能力，”萨德教授说。

AFM使用一个小悬臂(其长度为人类头发的宽度)来感受表面的形状并感知它遇到的力——非常类似于唱机的唱针或唱针的操作，悬臂末端的尖端与表面相互作用。

为了实现原子级的精确测量，悬臂(及其尖端)以其自然共振频率上下“动态”振动——稍微远离表面。从该测量频率中恢复尖端经受的实际力。

研究人员现在可以证明，这种动态测量在原子尺度上模糊了力，删除了可能使实际力恢复成为问题的信息——创建了一个有效的“盲点”。

“复苏的力量可能看起来不像真正的力量，”萨德教授说。“值得注意的是，有些原子力定律根本不存在这个问题，而由于其他原因，它会产生一个真正的问题。

“动态力测量通过模糊透镜有效地观察原子力。那么就需要一个数学算法将其转化为实际的力。”

2003年，都柏林三一学院的Sader教授和同事们开发了一种算法——称为Sader-Jarvis方法——广泛用于从这种模糊频率测量中恢复原子尺度的力。

“自1992年动态AFM技术发明以来，没有迹象表明这种模糊可能会成为一个问题。许多独立的研究人员对此进行了探索，并证明了所有的标准力方法都可以给出非常稳健的结果，”萨德教授说。

“然后，去年，来自雷根斯堡大学的合作者和这项研究的共同作者第一次看到了他们测量中的异常，并向我传达了这一点。看到这种异常我很惊讶，想确定一下原因。”

研究人员发现，频率测量的数学特性有效地隐藏了这个问题。

“这个问题在数学上很微妙，”萨德教授说。“强制定义拉普拉斯空间的定律——每个人都测试过——都是好的。这些不属于这个空间的因素导致了这个问题——自然界中有很多这样的问题。”

通过观察这个微妙的细节，Thad教授能够制定一种新的数学理论和方法来确定在实际测量中何时出现模糊问题，使AFM从业者能够避免它。

“我喜欢把我们的发现看作是让从业者看到前方道路上的‘坑洞’，从而避免它受到伤害。在过去，这个坑洞不会引起注意，司机有时会直接进入，”萨德教授说。

“下一步是试图了解如何彻底消除这个‘盲点’和‘坑爹’。

“我们的工作还强调了数学家和实验者合作解决一个重要技术问题的重要性。没有这两个技巧，这个问题就不会被发现和解决。25年来，它一直被忽视。”

萨德教授说，通过识别以前未开发的特征，这种新的理解可以深入了解其他动态AFM力测量操作。

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