Modi dinamici dell'AFM

Dynamic Force Mode

La modalità di scansione dinamica si riferisce a un insieme di modalità AFM in cui il cantilever oscilla a una frequenza elevata vicino alla risonanza. Un tipo specifico di modalità dinamica, indicato come modalità in modulazione di ampiezza (AM-AFM) è la modalità di imaging AFM più comune. In AM-AFM, l'ampiezza dell'oscillazione è il parametro di feedback; altre modalità dinamiche hanno parametri diversi per il feedback come la frequenza (modulazione di frequenza) o la fase (modulazione di fase). La modalità di modulazione di ampiezza, il Tapping Mode, la modalità di contatto intermittente e la modalità di forza dinamica possono essere usate come sinonimi.

Come modalità di imaging, la modalità dinamica offre diversi vantaggi chiave. Poiché il cantilever opera alla risonanza e interagisce con il campione "picchiettando" con la punta la superficie, è un'interazione delicata con la superficie rispetto alle modalità di imaging statico e può preservare la qualità apicale della punta. Questo tipo di interazione minimizza anche le forze torsionali tra la sonda e il campione, che sono particolarmente esacerbate nella modalità di imaging statico. Questi due vantaggi sono particolarmente importanti per materiali morbidi come polimeri o nanoparticelle o campioni fibrillari dove le modalità dinamiche sono meno distruttive per il campione. Infine, utilizzando l'ampiezza di oscillazione del cantilever come parametro di feedback, l'utente è in grado di regolare finemente l'interazione tra la sonda e il campione operando tra diversi regimi come i regimi attrattivi e repulsivi.

In modalità dinamica, il cantilever è generalmente eccitato con un piezo shaker e inizia a vibrare alla frequenza di eccitazione. Facendo oscillare la frequenza in una gamma adatta, si può trovare il picco nello spettro di frequenza che corrisponde alla frequenza di risonanza del cantilever. Il cantilever viene quindi guidato con un movimento sinusoidale a un'energia di eccitazione fissa, e si comporta come un oscillatore armonico unidimensionale. Quando il cantilever oscillante viene avvicinato alla superficie, il cantilever non può più oscillare alla sua piena ampiezza e l'ampiezza di oscillazione viene ridotta dalla superficie del campione. Questa riduzione di ampiezza è la fonte del feedback; l'utente imposta un'ampiezza basata sul tipo di interazione che desidera.

L'utente deve agire su 3 parametri durante il funzionamento della modalità dinamica:

Costante elastica del cantilever: La rigidità della leva deve essere opportunamente scelta in funzione delle caratteristiche del materiale. Spesso sono necessari alcuni tentativi per trovare un cantilever adatto. Se il cantilever è troppo rigido, il risultato può essere distruttivo per il campione o causare l'usura della punta. Se il cantilever è troppo soft, potrebbe non essere in grado di interagire con il campione per generare un contrasto o addirittura potrebbe rimanere intrappolato sulla superficie.
Ampiezza della oscillazione libera: Questa è l'ampiezza dell'oscillazione del cantilever quando il cantilever vibra nello spazio libero lontano dal campione. I campioni più rugosi o adesivi richiedono un'ampiezza di vibrazione libera maggiore.
Setpoint: Si tratta dell’ampiezza di oscillazione ridotta che si ottiene una volta che la punta è in contatto intermittente con il campione. Il setpoint è espresso come percentuale dell'ampiezza di oscillazione libera. Setpoint bassi favoriranno un'interazione punta-campione più aggressiva o un'interazione punta-campione più repulsiva.

DNA in una soluzione buffer

Dimensioni della scansione 110nm

Imaging di fase (Phase Imaging Mode)

L'imaging a contrasto di fase (Phase Imaging Mode) è uno dei metodi di imaging AFM più comuni per ottenere un contrasto basato sulle proprietà dei materiali. L'imaging a contrasto di fase è una forma di modalità dinamica e si riferisce al canale di fase che viene raccolto durante questa modalità di scansione. Il cantilever oscillante mostrerà uno spostamento di fase tra eccitazione e relativa risposta.

Quando l'interazione tra un cantilever oscillante e un campione cambia, la frequenza di risonanza del cantilever si sposterà: a frequenze più basse per forze attrattive, a frequenze più alte per forze repulsive. Di conseguenza, la fase a una frequenza fissa si sposta quando l'interazione cantilever-campione cambia, per esempio quando cambiano le proprietà del materiale; questa è la ragione per cui la fase è una modalità di imaging comune quando si desidera un contrasto basato sulle proprietà del materiale. Tuttavia, l’interpretazione delle immagini di fase è complessa in quanto convoluzione di più proprietà del materiale, come: adesione, rigidità (modulo elastico), dissipazione e viscoelasticità. Così, se da un lato la fase è un canale di imaging molto utile, dall’altro può essere difficile interpretare il contrasto ed assegnarlo alle singole proprietà del materiale.

Un'ulteriore sfida dell'imaging di fase è la propensione verso artefatti di imaging come l'inversione del contrasto o la perdita di contrasto. Questi artefatti sono dovuti principalmente al problema della bistabilità attrattivo-repulsivo in cui l'interazione punta-campione passa tra i regimi repulsivo e attrattivo. Questa bistabilità può essere controllata con una corretta comprensione della fisica del cantilever e un'appropriata regolazione dei parametri operativi.