藉由探头与样品交互作用，以用于探索待测物微纳米表面形貌的重要工具，探针扫描成像技术被加以广泛的实验和理论研究。然而，扫描探针受限于传统加工工艺，在组成材料和几何构造等方面在过去几十年中没有显著的研究进展，这限制了基于力传感反馈的测量性能。特别地，在轻敲模式下，扫描头和样品之间的敲击接触必然产生机械相互作用。如何减少甚至避免因此带来的柔软样品表面的形变,以实现对原始表面的精确成像一直是一个重要议题。在剪切成像的模式下，探针的运动包括纵向进针-退针和横向的微剪切运动，此时难以配置传统的光杠杆反馈调节接触状态，且难以应用改变悬臂梁尺寸调节硬度系数改变纵向运动状态。因此，该成像模式下对于减弱探针-样品的机械作用没有比较好的解决方案。近日，东南大学生物科学与医学工程学院、生物电子学国家重点实验室顾忠泽教授，赵祥伟教授（通讯作者）等人报道了一种新的扫描探针设计和加工方案，旨在利用探针自身机械特性来减少探针-样品的过度机械作用。在该工作中，研究人员借鉴生物组织的多孔构造在能量吸收，传导，缓释的有效作用，提出了低密度的微结构可控机械材料（Materials with Controlled Microstructural Architecture, MCMA），作为探针本体的构筑设计，并且通过先进的微纳米的增材制造技术进行激光直写制备。在每一次进针撞击基底过程中，探针自身作为可压缩的介质，通过自身形变存储部分运动动能，加速系统能量衰减耗散，促使探针快速减速至稳定接触状态，防止基底表面的过度的作用力及不期望的形变。该工作采用了动态和准静态加载的两种仿真条件对材料机械特性和撞击响应进行计算评估，并且通过多组对比实验反复测试了包括硅、PDMS、和生物样本在内的三种微图案样本，验证了微结构探针的在成像优化上的准确性和有效性。该工作不仅给多孔材料在能量吸收特性上开辟了一个崭新的应用方向，对原子力探针成像优化做出了积极贡献，更重要地，为三维激光直写技术所赋予的自由构型方法及其所衍生的可控特性设计提供了全新的灵感和思路。图1. （a-b）微结构探针设计。（b-f）微结构探针制备，尖端曲率半径47 nm。图2.（a-d）微结构能量吸收特性表征。（e-j）基于动态/静态加载条件下的机械作用过程仿真计算要点3：微结构探针与实体探针对PDMS图案的扫描成像对比图3.（a）原始扫描图案电镜表征。（b-h）微结构探针与实体探针对PDMS图案成像效果对比。定量参数包括表面粗糙度，测量的高度和宽度。（i）不同规格的微结构探针成像对比。综上所述，作者提出了一种基于层次堆叠单元的低密度三维微结构用于扫描探针构造。其中，利用微结构能量吸收缓冲特性，促使探针能够作为有效的抗冲击部件，减轻从针尖到样品表面的整体机械冲击强度，从而提升扫描过程中的成像效果。微结构缓冲材料与扫描成像系统的创新集成为尖端控制成像方案开辟了另一条道路，有力促进了基于三维激光直写制备的多功能扫描探针成像系统的发展。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
