Aktuelles: So stark, wie das Gewicht eines 0,1 Billionstels einer Tafel Schokolade: Kraft von 100 Femtonewton nachgewiesen

Die Rasterkraftmikroskopie (engl: atomic force microscopy, AFM) erm?glicht die Abbildung von Oberfl?chen mit atomarer Aufl?sung, indem die kleinen Kr?fte, welche zwischen einer atomar scharfen Spitze und der Oberfl?che in einem Abstand von einigen hundert Picometern (1 pm ist ein Billionstel eines Meters) wirken, abh?ngig von der Position der Spitze über der Oberfl?che, gemessen werden. In der Regel werden AFM Experimente bei Spitzen-Proben-Abst?nden durchgeführt, bei welchen die Spitze stark mit der Probe wechselwirkt und Kr?fte in einem Bereich von einigen hundert Piconewton (pN) bis zu einigen Nanonewton (nN) wirken. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Kr?fte sind für ein einzelnes Atom relativ gro? und führen zu starken Verzerrungen der atomaren Bindungen. Regensburger Experimentalphysiker vom Lehrstuhl für Quanten-Nanowissenschaft um Prof. Dr. Franz J. Gie?ibl haben hoch-pr?zise AFM Messungen mit einer atomar scharfen Metallspitze auf einer ionischen Isolator-Oberfl?che (Calciumfluorid, CaF2(111)) durchgeführt. Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift New Journal of Physics erschienen.

Den Wissenschaftlern gelang es, winzige Kr?fte von 100 Femtonewton nachzuweisen, also nur 0,1 Billionstel eines Newtons. Ein Newton entspricht etwa der Gewichtskraft einer Tafel Schokolade. 100 Femtonewton entsprechen der ?u?erst geringen gegenseitigen Anziehungskraft zweier 77 Kilogramm schweren Personen, die sich im Abstand von zwei Kilometern aufhalten. Zum Vergleich: Beide Personen werden jeweils mit etwa 755 Newton von der Erde angezogen. Der Messabstand konnte so gro? gehalten werden, dass Quanteneffekte wie kovalente Bindungen oder Pauli Absto?ung vernachl?ssigt werden k?nnen. Damit konnten die Wissenschaftler ihre Messergebnisse mit gr??ter Pr?zision durch das Coulomb-Gesetz (Basis der Elektrostatik: Es beschreibt die Kraft, die zwischen zwei Ladungen wirkt) erkl?ren. Mit Hilfe einer in der Arbeitsgruppe entwickelten Methode zur Bestimmung der atomaren Struktur der Spitze konnten die Wissenschaftler die theoretische Beschreibung des Experiments so stark verbessern, dass das Modell die Messdaten mit einer Genauigkeit von 99,5 Prozent wiedergeben konnte. Die durch die Studie aufgezeigten M?glichkeiten der pr?zisen Messung von kleinsten Kr?ften k?nnen – kombiniert mit der genauen Beschreibung der Messspitze – dazu beitragen, den Nanokosmos pr?ziser zu vermessen.

Originalpublikation:
Alexander Liebig, Angelo Peronio, Daniel Meuer, Alfred J. Weymouth, and Franz J. Giessibl, “High-precision atomic force microscopy with atomically-characterized tips“, New Journal of Physics 22, 063040 (2020)
DOI: 10.1088/1367-2630/ab8efd
Artikel online verfügbar (open access) unter:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ab8efd (externer Link, ?ffnet neues Fenster)

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