AFM 선구자들, 카블리 나노과학상 수상

30년과 9,000회 이상 인용 후, 원자 힘 현미경(AFM) 발명가들이 카블리 나노과학상을 수상했습니다.

1990년대 게르트 비니히와 크리스토프 게르버.

카블리 상은 게르트 비니히, 크리스토프 게르버, 캘빈 퀘이트가 공동 수상했습니다. 비니히와 게르버는 이전에 IBM 리서치 취리히에 있었고, 퀘이트는 스탠퍼드 대학에 있었습니다. 안식년 동안 비니히는 스탠퍼드에, 게르버는 IBM 리서치 산호세(현 알마덴)에 있어 긴밀한 협업을 촉진했습니다.

세 과학자는 "원자 힘 현미경의 발명과 구현, 측정 기술과 나노조각의 돌파구로 나노과학과 기술에 지속적인 변혁적 영향을 미침"으로 수상했습니다.

AFM은 1986년 3월 3일 Physical Review Letters에 "Atomic Force Microscope"라는 간결한 제목으로 처음 기술되었습니다. 이 장치는 주사 터널링 현미경(STM) 원리와 스타일러스 프로필로미터를 결합해 원자 분해능 이미징을 가능하게 했습니다.

STM을 고 하인리히 로러와 공동 발명한 비니히는 1986년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그는 2004년 IEEE Spectrum Magazine 인터뷰에서 소파에 누워 있을 때 무의식적 통찰로 AFM 아이디어를 얻었다고 회고했습니다.

스탠퍼드 시절 비니히는 캘빈 퀘이트의 전문성과 이전에 STM에서 협업했던 IBM 동료 크리스토프 게르버를 영입해 AFM을 개념에서 현실로 만들었습니다.

최근 Physics World와의 30주년 기념 인터뷰에서 게르버는 발명의 진화를 회고했습니다:

"게르트가 팁과 시료 간 상호작용 힘을 터널링 전류 대신 측정할 수 있고, 캔틸레버가 이를 수행할 수 있다고 제안했습니다. 대략 계산해보니 원자 분해능을 위해 10^–10 N 심지어 10^–11 N 수준의 힘을 감지해야 한다는 것을 깨달았습니다!"

이러한 미세한 힘을 감지하는 능력은 금과 다이아몬드 두 가지 핵심 소재에 달려 있었습니다. 게르버는 설명했습니다:

"장치의 핵심은 몇 마이크론 두께의 매우 얇은 금박으로 캔틸레버로 사용했습니다. 레코드 플레이어 스타일러스에서 부서진 다이아몬드 조각을 캔틸레버에 부착해 팁으로 사용했습니다."

원자 분해능이 즉시 달성되진 않았지만 충분히 가까워 논문 제출이 가능했습니다. 1년 내 배치 제작 실리콘 캔틸레버를 개발해 흑연 표면에서 최초 원자 분해능 이미지를 얻었습니다.

이 이정표 후 세 사람은 캔틸레버 설계와 응용에서 특히 AFM 기술을 새로운 방향으로 밀어붙였습니다.

비니히는 비휘발성 메모리 개발을 목표로 나노구조화를 위한 대규모 병렬 프로브를 개척했습니다. 그의 작업은 나노패터닝 기술의 혁신 물결을 촉발했습니다.

게르버는 캔틸레버 어레이를 사용한 '인공 코'를 발전시켜 화학, 생화학, 의료 진단에서 돌파구를 마련했습니다. 그는 스위스 바젤 대학 그룹과 이 연구를 계속합니다.

퀘이트는 약물 발견, 식품 진단, 소재 특성화, 폭발물 감지용 마이크로머캐니컬 캔틸레버에 집중했습니다.

지난 30년간 AFM 기기는 감도와 분해능이 극적으로 향상되며 다양한 분야로 확장되었습니다.

2008년, IBM 리서치 알마덴의 마르쿠스 테르네스와 동료들은 AFM으로 단일 원자를 표면 위로 슬라이드하며 관여 힘을 직접 측정했습니다.

이듬해, IBM 리서치 취리히의 게르하르트 마이어와 레오 그로스가 이끄는 팀이 AFM 팁을 일산화탄소 단일 분자로 개질했습니다. 1나노미터 미만인 이 이원자 팁은 개별 분자의 내부 화학 구조, 실시간 화학 결합을 분해능하는 이미지를 산출했습니다.

그로스는 "우리 기술의 주요 차별점은 단일 분자를 측정한다는 점입니다. 또 다른 장점은 팁으로 개별 분자의 화학 반응을 개시하고 원자 스케일에서 생성물을 추적할 수 있다는 것입니다."라고 말했습니다.

마이어, 그로스, 브루노 슐러는 최근 Physics World에 AFM 30주년 기념 기사를 게재하며:

"고분해능 AFM은 물리적, 화학적, 생물학적 과정을 개별 분자 수준에서 이해하고 제어할 기회를 제공합니다. 힘 감도, 시간적, 공간적 분해능의 지속적 개선은 나노과학의 최전선을 더욱 밀어붙일 것입니다. 아마도 30년 후 AFM은 리처드 파인만이 1959년 강연 '바닥에는 충분한 공간이 있다'에서 상상한 원자 조립기로 진화할지도 모릅니다. 임의적, 3D 원자 정밀 장치, 메타머티리얼, 분자를 만들 수 있는 도구."

"어쨌든 AFM이 기초 물리학부터 화학, 생명과학까지 발견을 계속 주도하며 나노미터 스케일과 그 너머에서 자연의 가장 수수께끼 같은 메커니즘을 풀어나갈 것임은 의심할 여지가 없습니다."

이는 IBM 과학자에게 수여된 두 번째 카블리 상입니다. 돈 아이글러가 2010년 표면에서 원자 조작 개발과 정밀 제어된 원자·분자 배열로 양자 현상 규명으로 카블리 나노과학상을 받았습니다.

카블리 상은 존재의 가장 큰, 가장 작은, 가장 복잡한 규모에서 이해를 개척한 과학자들을 기립니다. 천체물리학, 나노과학, 신경과학 분야에 격년제로 수여되며 각 상금은 100만 달러(미국)입니다. 수상자는 세계에서 가장 권위 있는 6개 과학 학회와 아카데미가 추천한 위원들에 의해 선정됩니다.