布鲁克生物型原子力显微镜NanoWizard®（Atomic Force Microscope，简称AFM）在纳米尺度上成像和操作功能给生物学研究带来了新的思路。从技术方面来看，纳米粒子：如量子点、纳米线、DNA、碳纳米管(CNT)或其他聚合物分子，广泛应用到数据存储、单电子电子学、纳米光子学和纳米机电系统等领域。AFM不受样品导电性的限制, 能够提供更多操纵过程中的力学信息, 因而在推断反应机理、操纵机理、分子电荷操纵、单原子识别等许多方面有显著优势。此外，AFM可以与各种光学仪器联用，为其提供精确的纳米级成像和纳米操纵等技术支持。

纳米操纵研究目的

1)  操纵原子/分子自下而上地构筑具有独特性能的新材料, 结合机器学习实现构筑效率与构筑规模上的突破；

2)       结合利用AFM的原子识别和原子、分子、电荷操纵能力, 精准构造室温下的功能纳米结构, 如人工单分子开关等纳米尺度电学元件；

3)       对现有材料进行精准修饰加工, 如实现选择性半导体掺杂、定点饱和悬挂键修复“缺陷”等。^[1]

NanoWizard®生物型原子力显微镜演示图

图1为NanoWizard®生物型原子力显微镜的样品台和AFM图，A用于移动样品的微定位器(用红色载玻片表示)，B用于移动AFM头的微定位器(三个蓝点表示AFM底部的位置)。与倒置光学显微镜联用，可以在对纳米级材料进行纳米操纵的同时，实时输出三维图像，方便操作者观测。

图1 NanoWizard®生物型原子力显微镜演示图：A为移动样品的微定位器，B为用于移动AFM头的微定位器

应用案例

1. 量子点的纳米操纵

量子点在纳米光学、物理和生物学研究中有许多潜在的应用。AFM可以将量子力学特性与这种微小粒子的电磁辐射结合在一起进行表征，操纵量子点的模式和排列，与倒置光学显微镜联用，可以进行高分辨率成像并获取荧光光学数据。图2显示五个（右下角量子点作为参照点，共六个）单量子点排列成任意图形的图像序列。利用AFM针尖(成像IC模式、接触模式)连续拍摄覆盖玻璃上量子点运动的图像。

量子点组装成聚集体可能导致光学和电化学性质的变化。利用AFM来操纵表面上的量子点组织，将这些粒子集合的研究从由自组装驱动的规则阵列扩展研究这些特性如何随着量子点彼此之间的接近程度被原位操纵而变化。

图2 显示五个单量子点（右下为参照点）排列成任意图形的图像序列

2. 碳纳米管的纳米操纵

原子力显微镜针尖对纳米棒或纳米管的操作要比控制纳米颗粒的定位复杂得多。纳米棒和纳米管的操作不仅包括平移，还包括旋转和扭结，在图3a通过针尖使得单个碳纳米管束发生扭结和旋转实现对单个纳米管的操纵。在纳米管片段移动后，碳纳米管与表面之间的相互作用足以将新结构固定在原位。

图3（a左）高度和相位通道中的单个碳纳米管束；(b右) 碳纳米管在硅表面的操作。

图3b中表面-碳纳米管形成相互作用的强度足以使得纳米管被稳定被操纵，但针尖所施加的力又不会强到碳纳米管无法在不剪切的情况下移动，以至于纳米管只发生剪切，这是更好的选择。碳纳米管沉积在硅表面，表面相互作用的强度足以支持能量上不利的结构，如扭结，而不会抑制纳米束与尖端的运动。在纳米管的纳米操作过程中，利用实时交互力对AFM图像进行更新，为操作者提供实时的视觉反馈。

总结

NanoWizard®AFM是一种先进、易于使用的纳米操作应用工具。在操作过程中，悬臂梁上的力、速度和弯曲等重要参数可以很容易地被监测和控制。操作和无损检测的结合使原子力显微镜成为纳米结构操作和监测的先进技术。可以在纳米尺度上分辨结构的显微镜技术使我们看到了一个新世界。事实上，AFM传感器可以作为一个操纵器使用，来移动纳米级材料，这意味着我们现在可以以一种可控的方式与纳米世界进行交互和操纵。布鲁克AFM的操作和成像能力可以应用于广泛领域，在基础研究和新技术的开发中都有应用。

引用文献

[1]     李彦, 郑琦, 常霄, 黄立, 林晓, 程志海, 高鸿钧. 原子、分子以及电荷的原子力显微术操纵及其应用[J]. 物理学报, 2021, 70(13): 136802-1-136802-23. doi: 10.7498/aps.70.20202129.

本文数据来源于《布鲁克官方网站》