יד מבוקרת מניפולציה של יחיד מולקולות באמצעות סריקת הבדיקה במיקרוסקופ עם ממשק מציאות 3D Virtual

המטרה הכוללת של מניפולציה מבוקרת ביד של מולקולות בודדות באמצעות מיקרוסקופ בדיקה סורק היא חקירה שיטתית ואינטואיטיבית של פרוטוקולי מניפולציה בתלת מימד. שיטה זו מרחיבה את יכולותינו בתחום הננוטכנולוגיה המולקולרית. למשל, מאפשר לנו לחדד באופן שיטתי פרוטוקולי מניפולציה של מולקולות ולחקור כיוונים בין-מולקולריים או אפילו לייצר מבנים סופר-מולקולריים מורכבים.

היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא האופי האינטואיטיבי שלה. הנסיין שובר את תבנית התכנות של מסלולי קצה המבוצעים אוטומטית. ועוסק ישירות בתהליך המניפולציה.

הרחבת המניפולציה של המולקולות לממד השלישי והניתוק מפני השטח פותחת הזדמנויות חדשות רבות, אך במקביל עולה בהכרח הדרישה לבקרת הדמיה תלת מימדית. הגדר את מיקרוסקופ בדיקת הסריקה בטמפרטורה נמוכה המונע בתלת מימד על ידי ידו של הנסיין, באמצעות מערכת לכידת תנועה כמתואר בפרוטוקול הטקסט. הכן גם דגימה על ידי הפקדת PTCDA על כסף אחד, כמתואר בפרוטוקול הטקסט.

הגדר את מיקרוסקופ מנהור הסריקה או STM במצב זרם קבוע עם הפרמטרים המאפשרים ניגודיות LUMO עבור PTCDA. זה מאפשר לקבוע את האוריינטציה המולקולרית. בתוכנת SPM, הזן את הפרמטרים לסריקה, כולל האזור לסריקה, הגדר נקודות עבור לולאת המשוב ומהירות הסריקה.

לחץ על כפתור ההתחלה בתוכנת SPM כדי לדמות את ה-PTCDA. לאחר מציאת שטח הפנים המתאים למניפולציה כמתואר בפרוטוקול הטקסט, צור חלון סקירה והתאם את האזור לסריקה ואת מהירות הסריקה. על מנת לתעד STM מפורט של אזור קטן.

לאחר מכן, בדוק את יכולת הקצה להיקשר למולקולת PTCDA. לאחר מכן התכוננו לרשום ספקטרום מרחק זרם שבו הקצה מועבר אנכית לעבר אטומי חמצן קרבוקסילים של PTCDA בשלושה עד חמישה אנגסטרומים. I כפונקציה של Z נרשם על ידי הגדרת מתח הטיה קבוע והגדרת רמפה של גובה הקצה כדי להתקרב ולמשוך את הקצה מהמשטח.

לאחר מכן לחץ על הכפתור ספקטרום יחיד בתוכנת SPM, ובחר מיקום בתמונת ה-STM שהוקלטה לאחרונה מעל אטומי החמצן הקרבוקסילים של מולקולת PTCDA שנבחרה למניפולציה. היכן יש לרשום את ספקטרום המרחק הנוכחי. כדי לבדוק אם הקצה במצב תקין, ודא שעקומת מרחק הזרם המתועדת מציגה היווצרות מגע בין הקצה למולקולה בצורה של עלייה חדה של הזרם.

בדרך כלל המגע חזק מספיק כדי להרים 0.5 עד שלושה אנגסטרומים דרך נסיגת קצה אנכית שלאחריה הזרם יורד בפתאומיות כאשר הקשר נקרע. לאחר סריקה חוזרת של מולקולת ה-PTCDA שנבחרה למניפולציה, מקם את הקצה מעל אטום החמצן הקרבוקסילי שנבחר למניפולציה על ידי בחירת סט X, Y היסט למעלה ולאחר מכן לחיצה על התמונה המתאימה. השתמש בנקודת המגע הנכונה כפי שאומת קודם לכן.

הפעל את הלולאה הנעולה בשלב והגדר את המשרעת ampמצב בקרת המשרעת. הגדר את משרעת התנודה נמוכה ככל האפשר אך גבוהה מספיק כך שזיהוי דלתא-F אפשרי בתנאי רעש מקובלים ומהירות גילוי. פתח את לולאת המשוב והזן אפס עבור ערך האינטגרטור בחלון הפרמטר של תוכנת SPM.

לאחר מכן, הגדר את ממתח הצומת לכמה מילי-וולט בחלון הפרמטר של תוכנת SPM. לבסוף, הגדר את הגבר המגבר הנוכחי ל-1 פעמים 10 עד 7 וולט לאמפר בחלון הפרמטר של ערך תוכנת SPM. שים את התצוגה המותקנת על הראש או HMD ואז קח את האובייקט הניתן למעקב.

במידת הצורך, מקם מחדש את ה-HMD על ראשו של המשתמש תוך ביצוע השלבים הבאים כדי להציג את סצנת המציאות המדומה או את סביבת המעבדה, המקלדת וצג המחשב. השלב הבא הוא לסמן את נקודת המגע בסצנה הווירטואלית התלת-ממדית. עוגן זה עוזר למצוא את המגע בקלות לניסיונות מניפולציה נוספים באמצעות מניפולציה מבוקרת ביד ללא צורך באיפוס מקור המתח הרב-ערוצי הניתן לשליטה מרחוק.

לשם כך, הפעל את בקרת היד לאורך ציר ה-z רק על ידי סימון תיבת הסימון המתאימה בתוכנת הטיפ, תוך השארת תיבות הסימון X ו-Y לא מסומנות. הזז את האובייקט הניתן למעקב כלפי מטה תוך צפייה באותות בזמן אמת הנוכחי והדלתא-f המוצגים בירוק וורוד בסצנה הווירטואלית. הפסק להזיז את האובייקט הניתן למעקב כאשר אותות הזרם והדלתא-f מראים קפיצה חדה בו זמנית.

חתימה של יצירת קשר. התחל את הקלטת המסלול בממשק ה-VR על ידי לחיצה על הכפתור המתאים והזזת האובייקט הניתן למעקב כלפי מעלה. עצור את הקלטת המסלול בממשק ה-VR על ידי לחיצה על הכפתור המתאים ברגע שהמגע בין המולקולה לקצה נקרע.

החתימה היא ירידה חדה בו-זמנית של אותות הזרם והדלתא-f. לחץ על כפתור ההשהיה בתוכנת הטיפ כדי להשבית את השליטה ביד. הפעל את השליטה הידנית בתנועת הקצה לאורך כל הצירים המרחביים על ידי סימון תיבות הסימון X, Y ו-Z בתוכנה ולחיצה על כפתור ההתחלה בתוכנת הקצה.

נסה למצוא מסלול הרמה מוצלח שבו המולקולה במגע מנותקת לחלוטין מהמשטח בסוף המסלול. לשם כך, התקרב לנקודה שבה העוגן הפגין היווצרות של מגע מולקולת הקצה על ידי הזזת האובייקט הניתן למעקב תוך מעקב אחר תנועת הכדור המייצג את מיקום הקצה הנוכחי בסצנה הווירטואלית. ברגע שנוצר איש הקשר, התחל להקליט מסלול חדש בממשק ה-VR.

משוך את המולקולה לכיוון המתאים להרמה על ידי הזזת האובייקט הניתן למעקב בהתאם. אם מתגלה קרע במגע מולקולת הקצה, הפסק לרשום את המסלול. חזור לנקודת המגע, התחל להקליט מסלול על היווצרות מגע ובצע מניפולציה אחרת.

חזור על רצף זה עד שההרמה הצליחה. אם המגע של מולקולת הקצה עדיין יציב ב-Z גדול מ-10 אנגסטרומים, זוהי החתימה להרמה מוצלחת של המולקולה. כדי להבטיח שהמולקולה נמצאת בקצה, התקרב שוב אל פני השטח.

עלייה חלקה של דלתא-f המתרחשת במהלך הגישה כאשר הקצה עדיין רחוק מפני השטח מצביעה על כך שהמולקולה מחוברת לקצה ומכוונת בניצב לפני השטח. לאחר הרמה מוצלחת, הזז את האובייקט הניתן למעקב כלפי מעלה כדי למשוך את הקצה עוד 10 עד 20 אנגסטרומים מהמשטח. זה מפחית כל אינטראקציה של המולקולה המורמת עם פני השטח.

תקן את גובה הקצה על ידי ביטול הסימון בתיבת הסימון Z והזז את הקצה בחזרה לקואורדינטות הראשוניות X, Y באמצעות שליטה ידנית. בטל את הסימון בתיבת הסימון X או Y לאחר שהקואורדינטות המתאימה התקרבה לאפס. לחץ על כפתור ההשהיה בתוכנת הטיפ כדי לתקן את מיקום הקצה הנוכחי ולהשבית את בקרת היד.

מבלי להפעיל את לולאת המשוב, בחר הגדר היסט X Y למעלה, ולאחר מכן לחץ על התמונה המתאימה כדי למקם את הקצה מעל הכסף הנקי אחד משטח אחד במרחק של 50 עד 100 אנגסטרומים מהאי שבו הופקה המולקולה. לאחר מכן הגדר את הגבר המגבר הנוכחי ל-1 פעמים 10 עד 9 וולט לאמפר. בטל את הסימון בתיבות הסימון X ו-Y בתוכנת הטיפ ולחץ על כפתור ההתחלה.

הזיזו את האובייקט הניתן למעקב כדי להתקרב לפני השטח עד להופעת זרם מדיד. לחץ על כפתור ההשהיה בתוכנת הטיפ כדי להשבית את השליטה ביד. מבחינת צעד, הגדל את מתח ההטיה על ידי שימוש במחוון הנשלט על ידי עכבר בתוכנת SPM עד שתהיה קפיצה בו זמנית בזרם ובדלתא-f המצביעה על כך שהמולקולה נפלה אל פני השטח.

סרוק את האזור במצב זרם קבוע ובדוק אם המולקולה אכן הופקדה בחזרה על פני השטח. לבסוף, סרוק את האזור באזור שבו חולצה המולקולה כדי לבחון את המקום הפנוי שנוצר. מוצגת כאן דוגמה לננו-מבנה של שכבה מולקולרית על ידי מניפולציה מבוקרת ביד.

סדרת תמונות STM מציגה יצירה רציפה של 47 משרות פנויות על ידי הסרה רציפה של מולקולות PTCDA בודדות משכבה סגורה. אנימציה זו מציגה 34 מסלולי מניפולציה שכולם הובילו להסרה מוצלחת של PTCDA משכבת המונו. הנה אנימציה של מסלולי קצה תלת מימדיים המדגימים חידוד מסלול ויכולת שחזור יהיו מניפולציה מבוקרת ביד.

העקומה האפורה מייצגת התייחסות ראשונית המתקבלת מממוצע המסלולים המוצגים באנימציה הקודמת. העקומות הצבעוניות הן שבעה ניסיונות מניפולציה בעקבות מסלול הייחוס שכולם לא צלחו, ושבעה ניסיונות מוצלחים לאורך מסלול עקום שנמצא לאחרונה. השיטה שלנו למניפולציה ידנית יכולה להיות מיושמת בקלות על משימות מניפולציה חדשות או על מולקולות חדשות.

ללא צורך לערב סימולציות יקרות. לאחר שליטה, ניתן להשתמש במניפולציה מבוקרת ביד כדי לחקור מולקולות בודדות בתצורות שאינן נגישות אחרת. ביצוע ניסויים כאלה עשוי להרחיב במידה ניכרת את הבנתנו את התהליכים הבסיסיים המתרחשים בצמתים מתכתיים של מולקולות מתכת כאלה.

כאשר מבצעים מניפולציה מבוקרת ביד, הנסיין נתון לתהליך למידה. מאוחר יותר אנו מתכוונים למסד את הלמידה הזו ולבסוף להאציל אותה למחשב.