Des chercheurs ont découvert un "angle mort" en microscopie à force atomique, un outil puissant capable de mesurer la force entre deux atomes, imager la structure des cellules individuelles et le mouvement des biomolécules.

Les atomes mesurent environ un dixième de nanomètre, ou un million de fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain.

La nouvelle étude montre que la précision des mesures de la force atomique dépend des lois de force en vigueur.

Les lois de la force qui résident dans l'« angle mort » nouvellement découvert - qui sont de nature courante - peuvent conduire à des résultats incorrects. L'étude détaille également une nouvelle méthode mathématique pour voir et éviter cet angle mort, protéger les mesures de la force atomique des résultats inexacts.

Professeur John Sader, de la School of Mathematics and Statistics de l'Université de Melbourne et du Australian Research Council Centre of Excellence in Exciton Science, a dirigé la recherche, avec le chercheur de l'Université de Melbourne Barry Hughes et Ferdinand Huber et Franz Giessibl de l'Université de Ratisbonne en Allemagne. L'ouvrage est publié aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnologie .

"Le microscope à force atomique (AFM) offre une résolution exquise à l'échelle atomique et moléculaire. Il a également la capacité remarquable de mesurer la force entre deux atomes, " dit le professeur Sader.

L'AFM utilise un petit faisceau en porte-à-faux (dont la longueur est la largeur d'un cheveu humain) pour sentir la forme d'une surface et détecter les forces qu'elle rencontre, de la même manière que le stylet ou l'aiguille d'un tourne-disque fonctionne, avec une pointe pointue à l'extrémité du porte-à-faux interagissant avec la surface.

Pour permettre des mesures précises à l'échelle atomique, le cantilever (et sa pointe) oscille « dynamiquement » de haut en bas à sa fréquence de résonance naturelle, légèrement à l'écart de la surface. La force réelle subie par la pointe est récupérée à partir de cette fréquence mesurée.

Les chercheurs peuvent maintenant montrer que cette mesure dynamique brouille la force à l'échelle atomique, supprimer les informations qui peuvent rendre problématique la récupération de la force réelle, créant ainsi un « angle mort » efficace.

"La force récupérée peut ne rien ressembler à la vraie force, " a déclaré le professeur Sader. " Il est remarquable que cette question soit complètement absente pour certaines lois de la force atomique, alors que pour d'autres, cela crée un réel problème.

"Les mesures de force dynamique examinent efficacement la force atomique à travers une lentille floue. Un algorithme mathématique est ensuite nécessaire pour convertir cela en une force réelle."

En 2003, Le professeur Sader et un collègue du Trinity College Dublin ont développé l'un de ces algorithmes, appelé méthode Sader-Jarvis, qui est largement utilisé pour récupérer la force à l'échelle atomique à partir de cette mesure de fréquence floue.

"Il n'y avait aucune indication que ce flou pourrait être un problème depuis que la technique AFM dynamique a été inventée en 1992. De nombreux chercheurs indépendants l'ont explorée et ont montré que toutes les lois de force standard donnent des résultats très robustes, " dit le professeur Sader.

"Puis, l'année dernière, les collaborateurs et co-auteurs de cette étude de l'Université de Ratisbonne ont vu pour la première fois une anomalie dans leurs mesures et me l'ont communiquée. J'ai été surpris de voir cette anomalie et désireux d'en identifier la cause."

Les chercheurs ont découvert que les caractéristiques mathématiques des mesures de fréquence avaient efficacement caché ce problème à la vue de tous.

"Le problème est mathématiquement subtil, " a déclaré le professeur Sader. " Les lois de la force qui appartiennent à quelque chose appelé espace de Laplace - que tout le monde a testé - sont bonnes. Ce sont ceux qui ne font pas partie de cet espace qui posent problème, et il y en a beaucoup dans la nature."

En regardant les détails de cette subtilité, Le professeur Sader a pu formuler une nouvelle théorie et méthode mathématique qui identifie le moment où le problème de flou se pose dans une mesure réelle, permettant au praticien de l'AFM de l'éviter.

"J'aime penser que notre découverte donne aux praticiens la possibilité de voir un" nid-de-poule "sur la route, et ainsi l'éviter sans dommage. Précédemment, ce nid-de-poule était passé inaperçu et les chauffeurs s'y enfonçaient parfois directement, " dit le professeur Sader.

"La prochaine étape consiste à essayer de comprendre comment supprimer complètement cet "angle mort" et ce "nid de poule".

"Notre travail met également en évidence l'importance pour les mathématiciens et les expérimentateurs de travailler ensemble pour résoudre un problème technologique important. Sans les deux ensembles de compétences, ce problème n'aurait pas été identifié et résolu. Il était passé inaperçu pendant plus de 25 ans."

Le professeur Sader a déclaré que cette nouvelle compréhension pourrait fournir un aperçu du fonctionnement d'autres mesures de force AFM dynamiques en identifiant une caractéristique auparavant inexplorée.