AFM 先驱获得 Kavli 奖

格德宾尼格和 1990 年代的克里斯托夫·格伯。

该奖项由 Gerd Binnig、Christoph Gerber 和 Calvin Quate 共享。 Binnig 和 Gerber 之前在 IBM Research – Zurich 工作，他们在休假期间与斯坦福大学的 Quate 合作（Binnig 在斯坦福，Gerber 在圣何塞的 IBM Research，现在是 Almaden）。

这三位科学家因“原子力显微镜的发明和实现、测量技术和纳米雕刻技术的突破，继续对纳米科学和技术产生变革性影响”而获奖 .”

AFM 于 1986 年 3 月 3 日首次发表在同行评审期刊《物理评论快报》上，标题简单：“原子力显微镜”。本发明结合了扫描隧道显微镜(STM)和触针式轮廓仪的原理来检测原子分辨率。 Binnig 早在几年前就与已故的 Heinrich Rohrer 共同发明了 STM，并于 1986 年获得了诺贝尔物理学奖。

Binnig 被单独列入第一项专利，被 IEEE Spectrum Magazine 引用 2004 年，当他躺在沙发上时，他下意识地想到了 AFM 的想法。在斯坦福大学期间，他与 Calvin Quate 和他的 IBM 同事 Christoph Gerber 合作，他已经与他们合作开发了 STM，并共同实现了 AFM。

Gerber 最近在《物理世界》杂志上就 AFM 30 周年接受采访，他评论了这项发明的演变：

“Gerd 建议可以测量尖端和样品之间的相互作用力，而不是电流，也许我们可以用悬臂来做到这一点。我们做了一个粗略的计算，并意识到为了获得原子分辨率，我们需要能够检测到 10 ^–10 水平的力 N 甚至 10 ^–11 N！ ”

测量微小原子力的秘诀来自两种珍贵元素：黄金和钻石。 Gerber 在《物理世界》中的评论：

“该设备的核心是一块只有几微米厚的非常薄的金箔，用作悬臂。我们从唱片播放器的触控笔上获得的碎钻石中取出一块碎片，并将其粘在悬臂上作为尖端。”

“我们没有立即获得原子分辨率，但我们已经足够接近提交期刊论文了。一年之内，我们有了基于批量制造的硅悬臂梁的更先进的仪器，首次在石墨表面上显示出原子分辨率。”

在他们开创性的工作之后，三人将 AFM 技术推向了几个新的方向，特别是在悬臂设计和应用方面。

Binnig 调整了悬臂梁设计以创建用于纳米结构的大规模并行探针，旨在开发非易失性存储器。这项工作产生了许多创新，包括纳米图案技术。

在 IBM，Gerber 开发了一种使用悬臂阵列的“人工鼻子”，这在化学和生化反应领域以及医学应用中已被证明是成功的。今天，他在瑞士巴塞尔的研究小组中继续这项研究。

Quate 专注于微机械悬臂，用于药物发现、食品诊断、材料表征和爆炸物检测的传感应用。

近30年来，AFM仪器在灵敏度、分辨率和应用领域取得了巨大的发展。

例如，2008 年，IBM Research – Almaden 的 Markus Ternes 和同事使用这种检测方案使用 AFM 将单个原子滑过表面，并直接测量所涉及的力。

一年后，由 Gerhard Meyer 和 Leo Gross 领导的苏黎世 IBM 科学家团队用单个一氧化碳分子修改了 AFM 的尖端。这种长度不到一纳米的双原子分子产生的图像分辨率如此之高，以至于可以解析单个分子的内部化学结构（化学键）。

Gross 评论道：“相对于其他成熟技术，我们技术的一个主要区别在于我们测量单个分子。另一个优点是我们可以使用尖端来引发单个分子的化学反应，我们可以跟踪反应并在原子尺度上研究它们的产物。”

Meyer 和 Gross 与他们的同事 Bruno Schuler 最近在《物理世界》发表了一篇关于 AFM 30 周年的文章：

“重要的是，高分辨率 AFM 提供了在单个分子水平上理解和控制物理、化学和生物过程的机会。力灵敏度以及时间和空间分辨率的持续改进将进一步推动纳米科学的前沿。也许再过 30 年，AFM 可能会进一步改进为原子组装机，正如理查德·费曼 (Richard Feynman) 在 1959 年著名的演讲“底部有足够的空间”中所说：一种可以构建任意 3D 原子精确设备、超材料和分子的工具.”

“无论如何，毫无疑问，AFM 将继续促进从基础物理学到化学和生命科学的发现，在纳米尺度及更远的尺度上解开自然界最神秘的机制。”

这是 IBM 科学家第二次获得 Kavli 奖。唐·艾格勒 (Don Eigler) 因原子操纵的发展和阐明表面上精确控制原子和分子排列的量子现象而获得 2010 年卡夫利纳米科学奖。

Kavli 奖表彰科学家在我们对最大、最小和最复杂尺度的存在的理解方面取得的开创性进展。在天体物理学、纳米科学和神经科学领域每两年颁发一次，三个国际奖项中的每一个都包含 100 万美元（美国）。获奖者由委员会选出，其成员由六家世界最著名的科学学会和学院推荐。