التحكم ناحية التلاعب احدة الجزيئات عن طريق المجهر التحقيقي مع واجهة الواقع الافتراضي 3D

الهدف العام من التلاعب اليدوي بالجزيئات الفردية باستخدام مجهر مسبار المسح هو الاستكشاف المنهجي والبديهي لبروتوكولات التلاعب في ثلاثة أبعاد. تعمل هذه الطريقة على توسيع قدراتنا في مجال تكنولوجيا النانو الجزيئية. على سبيل المثال ، تمكننا من تحسين بروتوكولات التلاعب بالجزيئات بشكل منهجي ودراسة الاتجاهات بين الجزيئات أو حتى تصنيع هياكل جزيئية فائقة معقدة.

الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي طبيعتها البديهية. يكسر المجرب قالب البرمجة التي يتم تنفيذها تلقائيا. ويشارك مباشرة في عملية التلاعب.

إن توسيع معالجة الجزيء إلى البعد الثالث والانفصال عن السطح يفتح العديد من الفرص الجديدة ، ولكن في نفس الوقت تظهر حتما متطلبات التحكم في التصور ثلاثي الأبعاد. قم بإعداد مجهر مسبار المسح الضوئي بدرجة حرارة منخفضة مدفوع بيد المجرب ثلاثي الأبعاد ، باستخدام نظام التقاط الحركة كما هو موضح في بروتوكول النص. قم أيضا بإعداد عينة عن طريق إيداع PTCDA على الفضة ، كما هو موضح في بروتوكول النص.

اضبط مجهر المسح النفقي أو STM في وضع التيار المستمر باستخدام المعلمات التي تسهل تباين LUMO ل PTCDA. هذا يسمح للمرء بتحديد الاتجاه الجزيئي. في برنامج SPM، أدخل معلمات الفحص، بما في ذلك المنطقة المراد مسحها ضوئيا ونقاط تعيين لحلقة التغذية الراجعة وسرعة المسح.

انقر فوق زر البدء في برنامج SPM لتصوير PTCDA. بعد العثور على مساحة السطح المناسبة للمعالجة كما هو موضح في بروتوكول النص، قم بإنشاء نافذة نظرة عامة واضبط المنطقة المراد مسحها ضوئيا وسرعة المسح. من أجل تسجيل STM مفصل لمنطقة صغيرة.

بعد ذلك ، اختبر قدرة الطرف على الارتباط بجزيء PTCDA. ثم استعد لتسجيل طيف المسافة الحالية الذي يتم فيه تحريك الطرف عموديا نحو ذرات الأكسجين الكربوكسيلية ل PTCDA بمقدار ثلاثة إلى خمسة أنجستروم. يتم تسجيل I كدالة ل Z عن طريق ضبط جهد تحيز ثابت وتحديد منحدر لارتفاع الطرف للاقتراب من السطح وسحبه.

ثم انقر فوق الزر الطيف الفردي في برنامج SPM ، وحدد موضعا على صورة STM المسجلة مؤخرا فوق ذرات الأكسجين الكربوكسيلية لجزيء PTCDA المحدد للتلاعب. حيث يجب تسجيل طيف المسافة الحالي. للتحقق مما إذا كان الطرف في حالة مناسبة ، تحقق من أن منحنى المسافة الحالية المسجل يظهر تكوين اتصال بين الطرف والجزيء في شكل زيادة حادة في التيار.

عادة ما يكون الاتصال قويا بما يكفي لرفع 0.5 إلى ثلاثة أنجستروم من خلال تراجع الطرف الرأسي وبعد ذلك ينخفض التيار فجأة عندما تتمزق الرابطة. بعد إعادة مسح جزيء PTCDA المحدد للتلاعب ، ضع الطرف فوق ذرة الأكسجين الكربوكسيلية المختارة للتلاعب عن طريق تحديد مجموعة X ، Y أعلى الإزاحة ، ثم النقر فوق الصورة المعنية. استخدم نقطة الاتصال الصحيحة كما تم التحقق منها سابقا.

قم بتنشيط الحلقة المغلقة الطور واضبط وضع التحكم في السعة. اضبط سعة التذبذب على أدنى مستوى ممكن ولكن مرتفعا بما يكفي بحيث يكون اكتشاف دلتا-F ممكنا مع ظروف ضوضاء مقبولة وسرعة اكتشاف. افتح حلقة التغذية الراجعة وأدخل صفرا لقيمة التكامل في نافذة معلمة برنامج SPM.

بعد ذلك ، قم بتعيين انحياز التقاطع على بضعة مللي فولت في نافذة معلمة برنامج SPM. أخيرا ، قم بتعيين كسب مكبر الصوت الحالي إلى واحد في 10 إلى 7 فولت لكل أمبير في نافذة معلمة قيمة برنامج SPM. ضع شاشة العرض المثبتة على الرأس أو HMD ثم خذ الكائن القابل للتتبع.

إذا لزم الأمر، أعد وضع HMD على رأس المستخدم أثناء تنفيذ الخطوات التالية إما لعرض مشهد الواقع الافتراضي أو بيئة المختبر ولوحة المفاتيح وشاشة الكمبيوتر. الخطوة التالية هي تحديد نقطة الاتصال في المشهد الافتراضي ثلاثي الأبعاد. تساعد هذه المرساة في العثور على جهة الاتصال بسهولة لمزيد من محاولات التلاعب باستخدام معالجة يتم التحكم فيها يدويا دون الحاجة إلى إعادة ضبط مصدر الجهد متعدد القنوات الذي يمكن التحكم فيه عن بعد.

للقيام بذلك، قم بتنشيط عنصر التحكم اليدوي على طول المحور z فقط عن طريق تحديد خانة الاختيار المقابلة في برنامج التلميح، مع الحفاظ على مربعي الاختيار X وY دون تحديد. حرك الكائن القابل للتتبع لأسفل أثناء مشاهدة الإشارات الحالية وإشارات delta-f في الوقت الفعلي المعروضة باللونين الأخضر والوردي في المشهد الافتراضي. توقف عن تحريك الكائن القابل للتتبع عندما تظهر الإشارات الحالية ودلتا-f قفزة حادة متزامنة.

توقيع تشكيل الاتصال. ابدأ تسجيل المسار في واجهة الواقع الافتراضي بالنقر فوق الزر المقابل وتحريك الكائن القابل للتتبع لأعلى. أوقف تسجيل المسار في واجهة الواقع الافتراضي بالنقر فوق الزر المقابل بمجرد تمزق التلامس بين الجزيء والطرف.

التوقيع هو انخفاض حاد متزامن لإشارات التيار و delta-f. انقر فوق زر الإيقاف المؤقت في برنامج الإكرامية لإلغاء تنشيط التحكم اليدوي. قم بتنشيط التحكم اليدوي في حركة الطرف على طول جميع المحاور المكانية عن طريق تحديد مربعات الاختيار X و Y و Z في البرنامج والنقر فوق زر البدء في برنامج التلميح.

حاول العثور على مسار رفع ناجح حيث يتم فصل الجزيء الملامس تماما عن السطح في نهاية المسار. للقيام بذلك ، اقترب من النقطة التي أظهرت فيها المرساة تكوين ملامسة جزيء الطرف عن طريق تحريك الكائن القابل للتتبع أثناء متابعة حركة الكرة التي تمثل موضع الطرف الحالي في المشهد الافتراضي. بمجرد تشكيل جهة الاتصال ، ابدأ في تسجيل مسار جديد في واجهة الواقع الافتراضي

اسحب الجزيء في اتجاه مناسب للرفع عن طريق تحريك الجسم القابل للتتبع وفقا لذلك. إذا تم الكشف عن تمزق في ملامسة جزيء الطرف ، فتوقف عن تسجيل المسار. ارجع إلى نقطة الاتصال ، وابدأ تسجيل المسار عند تشكيل جهة الاتصال ، وقم بتنفيذ معالجة مختلفة.

كرر هذا التسلسل حتى ينجح الرفع. إذا كان ملامسة جزيء الطرف لا يزال مستقرا عند Z أكبر من 10 أنجستروم ، فهذا هو التوقيع على الرفع الناجح للجزيء. للتأكد من أن الجزيء على الحافة ، اقترب من السطح مرة أخرى.

تشير الزيادة السلسة في دلتا f التي تحدث أثناء الاقتراب بينما لا يزال الطرف بعيدا عن السطح إلى أن الجزيء متصل بالطرف وموجه بشكل عمودي على السطح. بعد الرفع الناجح ، حرك الجسم القابل للتتبع لأعلى لسحب الطرف من 10 إلى 20 أنجستروم إضافي من السطح. هذا يقلل من أي تفاعل للجزيء المرفوع مع السطح.

قم بإصلاح ارتفاع الطرف عن طريق إلغاء تحديد خانة الاختيار Z وتحريك الطرف مرة أخرى إلى إحداثيات X و Y الأولية باستخدام التحكم اليدوي. قم بإلغاء تحديد خانة الاختيار X أو Y بمجرد اقتراب الإحداثيات المعنية من الصفر. انقر فوق زر الإيقاف المؤقت في برنامج الإكرامية لإصلاح موضع الطرف الحالي وإلغاء تنشيط التحكم اليدوي.

دون تشغيل حلقة التغذية الراجعة ، حدد تعيين X Y الإزاحة الأعلى ، ثم انقر في الصورة المعنية لوضع الطرف فوق الفضة النظيفة على بعد 50 إلى 100 أنجستروم من الجزيرة حيث تم استخراج الجزيء. ثم اضبط كسب مكبر الصوت الحالي على واحد في 10 إلى 9 فولت لكل أمبير. قم بإلغاء تحديد خانتي الاختيار X وY في برنامج التلميح، وانقر فوق زر البدء.

حرك الكائن القابل للتتبع للاقتراب من السطح حتى يظهر تيار قابل للقياس. انقر فوق زر الإيقاف المؤقت في برنامج التلميح لإلغاء تنشيط التحكم اليدوي. خطوة حكيمة ، قم بزيادة جهد التحيز باستخدام شريط تمرير يتم التحكم فيه بالماوس في برنامج SPM حتى تكون هناك قفزة متزامنة في التيار و delta-f مما يشير إلى أن الجزيء سقط على السطح.

امسح المنطقة في وضع التيار المستمر وتحقق مما إذا كان الجزيء قد ترسب بالفعل مرة أخرى على السطح. أخيرا ، قم بمسح المنطقة في المنطقة التي تم فيها استخراج الجزيء لفحص الوظيفة الشاغرة التي تم إنشاؤها. يظهر هنا مثال على الهيكلة النانوية للطبقة الجزيئية عن طريق التلاعب الذي يتم التحكم فيه يدويا.

تظهر سلسلة صور STM الإنشاء المتسلسل ل 47 وظيفة شاغرة عن طريق الإزالة المتتالية لجزيئات PTCDA الفردية من طبقة مغلقة. تظهر هذه الرسوم المتحركة 34 مسارا للتلاعب أدت جميعها إلى الإزالة الناجحة ل PTCDA من الطبقة الأحادية. فيما يلي رسم متحرك لمسارات الطرف ثلاثية الأبعاد توضح تحسين المسار وقابلية التكاثر للتلاعب المتحكم فيه يدويا.

يمثل المنحنى الرمادي مرجعا أوليا تم الحصول عليه من متوسط المسارات الموضحة في الرسوم المتحركة السابقة. المنحنيات الملونة عبارة عن سبع محاولات للتلاعب تتبع المسار المرجعي التي لم تنجح جميعها ، وسبع محاولات ناجحة على طول مسار ملتوي تم اكتشافه حديثا. يمكن تطبيق طريقتنا في التلاعب الذي يتم التحكم فيه يدويا بسهولة على مهام التلاعب الجديدة أو على الجزيئات الجديدة.

دون الحاجة إلى إشراك عمليات محاكاة مكلفة. بمجرد إتقانها ، يمكن استخدام التلاعب الذي يتم التحكم فيه يدويا لدراسة الجزيئات المفردة في التكوينات التي يتعذر الوصول إليها. قد يؤدي إجراء مثل هذه التجارب إلى توسيع فهمنا للعمليات الأساسية التي تحدث في مثل هذه التقاطعات المعدنية للجزيء المعدني.

عند القيام بالتلاعب الذي يتم التحكم فيه يدويا ، يخضع المجرب لعملية التعلم. في وقت لاحق نعتزم إضفاء الطابع الرسمي على هذا التعلم وتفويضه أخيرا إلى جهاز كمبيوتر.