通过手扫描探针显微镜用三维虚拟现实接口控制单分子的操作

摘要

我们演示了如何利用实验者的手使用动作捕捉系统和完全沉浸式虚拟现实护目镜以 3D 方式驱动扫描探针显微镜的尖端对金属表面上的单个有机分子进行精确作。

摘要

考虑到有机分子作为未来纳米技术的功能模块，如何安排并以自下而上的方式组装这样的积木的问题仍然是开放的。扫描探针显微镜（SPM）可以是选择的工具;然而，基于SPM的操作，直至最近仅限于二维（2D）。在一个良好定义的位置结合的SPM尖端的分子打开在三维空间中的控制操作的机会。不幸的是，三维操作是与观看和产生的SPM的数据的计算机上的典型2D-范例很大程度上是不相容的。为了直观和高效的操作，因此我们夫妇低温非接触式原子力/扫描隧道显微镜（LT NC-AFM / STM）与运动捕捉系统，充分沉浸式虚拟现实护目镜。这种设置允许"手控操纵"（HCM），其中，所述SPM尖端根据实验者的手的移动而移动，WHILE尖端轨迹以及在三维被可视化的SPM结的响应。 HCM铺平了道路的复杂的操作协议的发展，可能导致在表面上的分子之间起作用纳米相互作用的更好基本理解。在这里，我们描述了设置和实现虚拟现实环境中成功手控分子操作所需的步骤。

引言

低温非接触原子间力/扫描隧道显微镜（LT NC-AFM / STM，在以下简单地称为SPM）是选择用于单个原子或分子¹的原子精确操纵的工具^{- 3。}基于SPM的操作一般仅限于两个方面，由一系列突然的，往往随机操纵事件（跳跃）的。这基本上限制在过程中的控制。由单个化学键在一个良好定义的原子的位置接触有问题的分子导致了可以克服这些限制⁴的方法^{- 9。}在其整个操作的接触分子被连接到SPM针尖使得由尖端的适当的位移在所有三个维度移动的分子成为可能。这为在三维空间中进行的各种复杂的操作过程的可能性。但是接触操作可能是喜通过与表面和/或其他分子在其周围，其可以创建力量大到足以破裂尖端分子接触操纵分子的相互作用ndered。因此，SPM尖端的特定三维轨迹可能会或可能不会导致一个成功的操纵事件。因此，一个问题是如何定义导致当尖端分子键具有有限的强度的情况下，操作的成功完成协议，而与它的环境的操纵分子的相互作用是不先验充分表征。

在这里，这个问题是最直观的方式走近想象。实验者被允许简单地通过移动他们手中⁷控制SPM尖端的位移。这是通过将SPM连接到商用运动捕捉系统实现的，部分规格，其中提供如下。 "手控操纵"（HCM）的优点是在T他实验者的快速尝试不同的操作轨迹，并从他们的失败或成功学习的能力。

方案

注意:PTCDA可刺激皮肤或眼睛，因此应谨慎使用合适的手套进行处理。请参考相应的安全手册。低温液体可以产生类似于热烧伤皮肤上的效果或会造成长时间暴露冻伤。处理低温液体时，一定要佩戴防护眼镜及适当的低温手套。通过低温液体形成的气体是非常冷，通常比空气重，可以积累在地板置换空气附近。当没有足够的空气或氧气，窒息死亡，可能会发生。请参考相应的安全手册。

1.样品制备

1. PTCDA对Ag的沉积（111）
   注意:PTCDA的单层（ML）的范围应为10-30％，和集中在大，紧凑的岛屿（ 图6）之间。这种情况是理想的，而具有尖端preparati足够的清洁金属表面做处理实验上。
   1. 用溅射和退火周期¹⁴的标准程序在沉积前清洁的Ag（111）晶。
      1. 溅射用Ar ⁺离子晶体15分钟。使用氩压力在1×10 ^-5毫巴，0.8千电子伏的离子能量，并在室温（RT）的晶体。
      2. 退火在530℃下将样品15-30分钟。
   2. 使用PTCDA K-细胞在室温¹⁴的银矿床PTCDA 0.1-0.3 ML（111）的样品。
      注意:没有沉积参数给出的，因为沉积条件可从设置不同设置。
   3. 沉积之后，刷新样品至200℃进行2分钟，以提高PTCDA岛屿的排序和解吸可能的污染。 <....

结果

注意:此部分显示发表在^7,8工作。

HCM应用起重PTCDA /银（111）出层的问题，我们可以通过依次删除单个分子（ 图 9）写的模式。在总共48个分子中除去，其中40可以再沉积到清洁的Ag（111），表明该分子留在操作过程不变。这允许使用HCM通过从不同的位置采取分子和灌装的意外创建空缺（ 图 9的插图^）7纠正"写入错误"。

该允许移除所述层的分子成功轨迹显示在图 10 中 。他们在一堆相对狭窄的立体角，方向其中表明，该分子可从一个"剥离"动作在层内.......

讨论

像其他基于SPM的方法，在本文中描述的分子操作实验还依赖于对SPM针尖的性质在一定程度上。尖端顶点结构（其不能被完全控制）决定的前端分子键的强度。因此尖部 - 分子接触的强度可能有很大的不同，因此有时可能太低。因此，协议中我们提到的尖端品质和尖端治疗程序的一些基本的测试。然而，更严重的尖端治疗可能在某些情况下需要达到满意的操纵的结果。

用NC-AFM / STM接触操纵的另一个重要方面是操作过程中qPlus传感器的振荡。随着振幅由于音叉由总共2A ₀的移动的前端垂直向上和向下的控制操作变得更加困难。在大振幅极限的秘诀是总是从表面回缩沿着竖直轨迹其中关键影响的操作。因此，如果使用NC-AFM / STM的噪声特性不允许与幅度远低于1工作应该考虑STM模式， 即尝试操作，没有激动人心的音叉。而可以在这种情况下，不能获得关于接面硬度信息，单独的导电性可能足以监视操纵。

对于尖轨迹数据.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
LN2			注意：低温液体
LHe			注意：低温液体
PTCDA			注意：刺激性物质
克努森细胞（K-cell）			定制
ErLEED	规格		与电源一起使用 ErLEED 1,000 A
组合 LT NC-AFM/STM	Createc
qPlus 传感器	Createc		TFS
前置放大器	Createc		放大器，用于音叉信号，固定到 LN2 屏蔽层（1 级）
低噪声电压前置放大器	Standford Research System	SR560	用于音叉信号的外部放大器（2 级）
可变增益低噪声电流放大器	Femto	DLPCA-200	隧道电流放大器
Bonita	Vicon	B10， SN： MXBN-0B10-3658	MCS 红外摄像机
Apex 交互设备	Vicon	SN： AP0062	MCS 可追踪对象 （TO）
MX 校准棒	Vicon		MCS 校准对象
跟踪	Vicon		MCS 软件
BS 系列电源	stahl-electronics	BS 1-4	RVS
求和放大器			定制，增益 1，基于运算放大器 TL072
Oculus Rrift 开发套件 2	Oculus VR		HMD
TipControl			定制编写软件
VRinterface			定制编写软件