藉由探頭與樣品交互作用，以用于探索待測(cè)物微納米表面形貌的重要工具，探針掃描成像技術(shù)被加以廣泛的實(shí)驗(yàn)和理論研究。然而，掃描探針受限于傳統(tǒng)加工工藝，在組成材料和幾何構(gòu)造等方面在過(guò)去幾十年中沒(méi)有顯著的研究進(jìn)展，這限制了基于力傳感反饋的測(cè)量性能。特別地，在輕敲模式下，掃描頭和樣品之間的敲擊接觸必然產(chǎn)生機(jī)械相互作用。如何減少甚至避免因此帶來(lái)的柔軟樣品表面的形變,以實(shí)現(xiàn)對(duì)原始表面的精確成像一直是一個(gè)重要議題。在剪切成像的模式下，探針的運(yùn)動(dòng)包括縱向進(jìn)針-退針和橫向的微剪切運(yùn)動(dòng)，此時(shí)難以配置傳統(tǒng)的光杠桿反饋調(diào)節(jié)接觸狀態(tài)，且難以應(yīng)用改變懸臂梁尺寸調(diào)節(jié)硬度系數(shù)改變縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，該成像模式下對(duì)于減弱探針-樣品的機(jī)械作用沒(méi)有比較好的解決方案。近日，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室顧忠澤教授，趙祥偉教授（通訊作者）等人報(bào)道了一種新的掃描探針設(shè)計(jì)和加工方案，旨在利用探針自身機(jī)械特性來(lái)減少探針-樣品的過(guò)度機(jī)械作用。在該工作中，研究人員借鑒生物組織的多孔構(gòu)造在能量吸收，傳導(dǎo)，緩釋的有效作用，提出了低密度的微結(jié)構(gòu)可控機(jī)械材料（Materials with Controlled Microstructural Architecture, MCMA），作為探針本體的構(gòu)筑設(shè)計(jì)，并且通過(guò)先進(jìn)的微納米的增材制造技術(shù)進(jìn)行激光直寫(xiě)制備。在每一次進(jìn)針撞擊基底過(guò)程中，探針自身作為可壓縮的介質(zhì)，通過(guò)自身形變存儲(chǔ)部分運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，加速系統(tǒng)能量衰減耗散，促使探針快速減速至穩(wěn)定接觸狀態(tài)，防止基底表面的過(guò)度的作用力及不期望的形變。該工作采用了動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)加載的兩種仿真條件對(duì)材料機(jī)械特性和撞擊響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，并且通過(guò)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)反復(fù)測(cè)試了包括硅、PDMS、和生物樣本在內(nèi)的三種微圖案樣本，驗(yàn)證了微結(jié)構(gòu)探針的在成像優(yōu)化上的準(zhǔn)確性和有效性。該工作不僅給多孔材料在能量吸收特性上開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的應(yīng)用方向，對(duì)原子力探針成像優(yōu)化做出了積極貢獻(xiàn)，更重要地，為三維激光直寫(xiě)技術(shù)所賦予的自由構(gòu)型方法及其所衍生的可控特性設(shè)計(jì)提供了全新的靈感和思路。要點(diǎn)1：微結(jié)構(gòu)探針設(shè)計(jì)及制備圖1. （a-b）微結(jié)構(gòu)探針設(shè)計(jì)。（b-f）微結(jié)構(gòu)探針制備，尖端曲率半徑47 nm。要點(diǎn)2：微結(jié)構(gòu)材料機(jī)械特性圖2.（a-d）微結(jié)構(gòu)能量吸收特性表征。（e-j）基于動(dòng)態(tài)/靜態(tài)加載條件下的機(jī)械作用過(guò)程仿真計(jì)算要點(diǎn)3：微結(jié)構(gòu)探針與實(shí)體探針對(duì)PDMS圖案的掃描成像對(duì)比圖3.（a）原始掃描圖案電鏡表征。（b-h）微結(jié)構(gòu)探針與實(shí)體探針對(duì)PDMS圖案成像效果對(duì)比。定量參數(shù)包括表面粗糙度，測(cè)量的高度和寬度。（i）不同規(guī)格的微結(jié)構(gòu)探針成像對(duì)比。綜上所述，作者提出了一種基于層次堆疊單元的低密度三維微結(jié)構(gòu)用于掃描探針構(gòu)造。其中，利用微結(jié)構(gòu)能量吸收緩沖特性，促使探針能夠作為有效的抗沖擊部件，減輕從針尖到樣品表面的整體機(jī)械沖擊強(qiáng)度，從而提升掃描過(guò)程中的成像效果。微結(jié)構(gòu)緩沖材料與掃描成像系統(tǒng)的創(chuàng)新集成為尖端控制成像方案開(kāi)辟了另一條道路，有力促進(jìn)了基于三維激光直寫(xiě)制備的多功能掃描探針成像系統(tǒng)的發(fā)展。Sun, L., Gu, H., Liu, X. et al. 3D-printed cellular tips for tuning fork atomic force microscopy in shear mode. Nat Commun 11, 5732 (2020).DOI: 10.1038/s41467-020-19536-9https://doi.org/10.1038/s41467-020-19536-9
