研究人员发现了原子力显微镜中的“盲点” - 一种能够测量两个原子之间的力，成像单个细胞结构和生物分子运动的强大工具。

原子大小约为十分之一纳米，比人类头发的宽度小一百万倍。

新的研究表明，原子力测量的准确性取决于哪些力定律有效。

驻留在新发现的“盲点”中的强制法 - 在自然界中很常见 - 可能导致不正确的结果。该研究还详述了一种新的数学方法，可以查看并避免这种盲点，保护原子力测量结果不准确。

约翰·萨德教授，从数学与统计和激子学优秀的澳大利亚研究理事会中心的墨尔本大学医学院，领导了这项研究，与德国Regensburg的墨尔本大学研究员巴里·休斯和费迪南德胡贝尔和弗朗茨Giessibl大学。这项工作今天发表在Nature Nanotechnology杂志上。

“原子力显微镜(AFM)在原子和分子尺度上提供了精确的分辨率。它还具有测量两个原子之间力的显着能力，”萨德教授说。

AFM使用一个小的悬臂梁(其长度是人类头发的宽度)来感受表面的形状并感知它遇到的力 - 与记录播放器的触笔或针的操作方式非常相似，悬臂末端的尖锐尖端与表面相互作用。

为了在原子尺度上实现精确测量，悬臂(及其尖端)以其自然共振频率“动态”上下振动 - 稍微远离表面。尖端经历的实际力从该测量频率恢复。

研究人员现在可以证明，这种动态测量模糊了原子尺度的力量，去除了可以使实际力量恢复成为问题的信息 - 创造了一个有效的“盲点”。

“恢复的力量可能看起来不像真正的力量，”萨德教授说。“值得注意的是，某些原子力法则完全没有这个问题，而对于其他原因，它会产生一个真正的问题。

“动态力测量通过模糊透镜有效地观察原子力。然后需要一种数学算法将其转换为实际力。”

2003年，Sader教授和都柏林三一学院的同事开发了其中一种算法 - 称为Sader-Jarvis方法 - 广泛用于从这种模糊频率测量中恢复原子尺度力。

“自从动态AFM技术于1992年发明以来，没有任何迹象表明这种模糊可能成为一个问题。许多独立研究人员对此进行了探索，并证明所有标准力法都能给出非常稳健的结果，”Sader教授说。

“然后，去年，来自雷根斯堡大学的这项研究的合作者和共同作者在他们的测量中首次看到了一个异常现象，并将它传达给了我。我很惊讶地看到这种异常，并且很想确定原因。”

研究人员发现，频率测量的数学特征有效地隐藏了这个问题。

“这个问题在数学上是微妙的，”萨德教授说。“强制定义拉普拉斯空间的法则 - 每个人都经过测试 - 都很好。这些不属于这个空间的因素导致了这个问题 - 而且自然界中存在很多这样的问题。”

通过查看这一微妙的细节，萨德教授能够制定一种新的数学理论和方法，以确定何时在实际测量中出现模糊问题，使AFM从业者能够避免它。

“我喜欢把我们的发现想象为让练习者能够在前面的道路上看到一个'坑洞'，从而避免它没有受到伤害。以前，这个坑洞没有引起注意，司机有时会直接进入它， “萨德教授说。

“下一步是尝试理解如何完全消除这个'盲点'和'坑洞'。

“我们的工作也强调了数学家和实验家共同努力解决一个重要技术问题的重要性。如果没有这两种技能，这个问题就不会被发现和解决。它已经被忽视了超过25年。”

萨德教授表示，通过识别以前未开发的特征，这种新的理解可以提供对其他动态AFM力测量操作的深入了解。