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作者:任霄鹏 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2008-2-22 13:53:25
《科学》:首次测定推动单个原子所需要的力

图片说明:实验示意图。棕色区域为原子力显微镜的振动尖端,黄色为钴原子,灰色为滑动材料的表面原子。螺旋线代表作用力。(图片来源:IBM)
 
利用原子力显微镜(AFM),美国IBM公司研究人员与德国科学家一道,首次测定出了驱动单个原子在平面上运动所需要的力。他们发现,让单个钴原子在光滑的铂平面运动需要的力为210皮牛(pN),而在铜表面仅为17pN。这一基础性研究成果有望为未来设计出原子尺度的设备(比如计算机芯片和小型化存储装置)提供重要信息和依据。相关论文发表在2月22日的《科学》杂志上。
 
早在1989年,IBM阿尔马登研究中心(Almaden Research Center)的Donald M. Eigler就用35个氙原子拼写出了“IBM”三个字母,从此,IBM的科学家们就不断地“摆弄”着原子,以期探索出用单个原子构建特定结构和电子元件的方法。道理很简单,要在纳米世界中制造特定的结构,就需要用较强的原子间相互作用让该坚固的地方坚固,而用较弱的化学键令需要移动的地方可移动。
 
最新论文高级作者、Almaden中心的物理学家Andreas J. Heinrich表示,弄清楚驱动原子的精确力量“有助我们理解什么是可能实现的,什么是不可能的。新的研究成果是我们前进的垫脚石而绝非终点。”
 
在实验中,Heinrich等人与德国雷根斯堡大学(University of Regensburg)的合作者一道,用原子力显微镜的尖端推动单个钴原子。为了精确测量力的大小和方向,该尖端与一微型音叉(tuning fork,常见于石英手表中)绑定在一起。
 
初始时,显微镜尖端与音叉每秒钟振动2万次,当尖端接触并推动钴原子之后,音叉就会像跳板一样变弯曲,振动频率也会突然发生微小减弱。通过这种变化,研究人员就能分析计算出显微镜尖端与钴原子间的相互作用力。
 
实际上,准确地说,单个原子不会滚动,而所谓的光滑表面实际上也并不光滑。因此,研究中钴原子会在一个个锯齿状小栅格中稍事停顿,看起来更像是在鸡蛋堆里推一颗鸭蛋。这种阻力(宏观上就是摩擦力)实际上来自于钴原子和滑动表面原子间化学键重组的能量需要。当然,由于不同材料表面的这种“粘性”差异,钴原子在其上滑动的容易性或者说所需要的力也是不同的。(科学网 任霄鹏/编译)
 
(《科学》(Science),Vol. 319. no. 5866, pp. 1066 - 1069,Markus Ternes, Andreas J. Heinrich)
 
 
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