Un microscopio a forza atomica (AFM) è un microscopio estremamente preciso che visualizza un campione spostando rapidamente una sonda con una punta di dimensioni nanometriche sulla sua superficie. Questo è molto diverso da un microscopio ottico che utilizza la luce riflessa per l’immagine di un campione. Una sonda AFM offre un grado di risoluzione molto più elevato rispetto a un microscopio ottico perché la dimensione della sonda è molto più piccola della lunghezza d’onda più fine della luce visibile. In un vuoto ultraelevato, un microscopio a forza atomica può visualizzare i singoli atomi. Le sue capacità di risoluzione estremamente elevata hanno reso l’AFM popolare tra i ricercatori che lavorano nel campo delle nanotecnologie.
A differenza del microscopio a effetto tunnel (STM), che visualizza una superficie indirettamente misurando il grado di tunneling quantistico tra la sonda e il campione, in un microscopio a forza atomica la sonda entra in contatto diretto con la superficie o misura il legame chimico incipiente tra sonda e campione .
L’AFM utilizza un cantilever in microscala con una punta della sonda la cui dimensione è misurata in nanometri. Un AFM opera in una delle due modalità: modalità di contatto (statica) e modalità dinamica (oscillante). In modalità statica la sonda rimane ferma, mentre in modalità dinamica oscilla. Quando l’AFM viene avvicinato o contatta la superficie, il cantilever devia. Di solito, sopra il cantilever c’è uno specchio che riflette un laser. Il laser riflette su un fotodiodo, che misura con precisione la sua deflessione. Quando l’oscillazione o la posizione della punta dell’AFM cambia, viene registrata nel fotodiodo e viene creata un’immagine. A volte vengono utilizzate alternative più esotiche, come l’interferometria ottica, il rilevamento capacitivo o le punte delle sonde piezoresistive (elettromeccaniche).
Sotto un microscopio a forza atomica, i singoli atomi sembrano macchie sfocate in una matrice. Per fornire questo grado di risoluzione è necessario un ambiente ad altissimo vuoto e un cantilever molto rigido, che impedisce che si attacchi alla superficie a distanza ravvicinata. Lo svantaggio di un cantilever rigido è che richiede sensori più precisi per misurare il grado di deflessione.
I microscopi a scansione a effetto tunnel, un’altra classe popolare di microscopi ad alta precisione, di solito hanno una risoluzione migliore rispetto agli AFM, ma un vantaggio degli AFM è che possono essere utilizzati in un ambiente liquido o gassoso mentre un STM deve funzionare in alto vuoto. Ciò consente l’imaging di campioni bagnati, in particolare di tessuti biologici. Quando viene utilizzato in ultra-alto vuoto e con un cantilever rigido, un microscopio a forza atomica ha una risoluzione simile a un STM.