Mano manipulación controlada de Moléculas Individuales a través de un microscopio de sonda de barrido con una interfaz de realidad virtual 3D

El objetivo general de la manipulación manual de moléculas individuales con el microscopio de sonda de barrido es la exploración sistemática e intuitiva de protocolos de manipulación en tres dimensiones. Este método amplía nuestras capacidades en el campo de la nanotecnología molecular. Por ejemplo, permitiéndonos refinar sistemáticamente los protocolos de manipulación de moléculas y estudiar direcciones intermoleculares o incluso fabricar estructuras supermoleculares complejas.

La principal ventaja de esta técnica es su naturaleza intuitiva. El experimentador rompe el molde de la programación de trayectorias de punta ejecutadas automáticamente. Y se involucra directamente en el proceso de manipulación.

Extender la manipulación de moléculas a la tercera dimensión y desprenderse de la superficie abre muchas nuevas oportunidades, pero al mismo tiempo surge inevitablemente la necesidad de controlar la visualización en 3D. Configure el microscopio de sonda de barrido a baja temperatura controlado en 3D por la mano del experimentador, utilizando un sistema de captura de movimiento como se describe en el protocolo de texto. También prepare una muestra depositando PTCDA en plata uno uno uno, como se describe en el protocolo de texto.

Configure el microscopio de túnel de barrido o STM en modo de corriente constante con los parámetros que facilitan el contraste LUMO para PTCDA. Esto permite determinar la orientación molecular. En el software SPM, introduzca los parámetros para el escaneo, incluida el área que se va a escanear, los puntos de ajuste para el bucle de retroalimentación y la velocidad de escaneo.

Haga clic en el botón de inicio en el software SPM para obtener una imagen del PTCDA. Después de encontrar el área de superficie adecuada para la manipulación como se describe en el protocolo de texto, cree una ventana de descripción general y ajuste el área a escanear y la velocidad de escaneo. Con el fin de registrar un STM detallado de una pequeña región.

A continuación, pruebe la capacidad de la punta para unirse a la molécula de PTCDA. A continuación, prepárese para registrar un espectro de distancias actual en el que la punta se mueve verticalmente hacia los átomos de oxígeno carboxílico de PTCDA de tres a cinco angstroms. I en función de Z se registra estableciendo un voltaje de polarización constante y definiendo una rampa de altura de punta para acercarse y retraer la punta de la superficie.

A continuación, haga clic en el botón espectro único en el software SPM y seleccione una posición en la imagen STM grabada más recientemente por encima de los átomos de oxígeno carboxílico de la molécula de PTCDA seleccionada para la manipulación. Donde debe registrarse el espectro de distancias actual. Para verificar si la punta está en las condiciones adecuadas, verifique que la curva de distancia de corriente registrada exhiba formación de contacto entre la punta y la molécula en forma de un aumento brusco de la corriente.

Por lo general, el contacto es lo suficientemente fuerte como para que se eleven de 0,5 a tres angstroms a través de la retracción vertical de la punta, después de lo cual la corriente cae abruptamente cuando se rompe el enlace. Después de volver a escanear la molécula de PTCDA seleccionada para la manipulación, coloque la punta sobre el átomo de oxígeno carboxílico elegido para la manipulación seleccionando el conjunto X, Y offset top y luego haciendo clic en la imagen respectiva. Utilice el punto de contacto correcto como se verificó anteriormente.

Active el bucle de bloqueo de fase y configure el modo de control de amplitud. Ajuste la amplitud de oscilación lo más baja posible, pero lo suficientemente alta como para que la detección delta-F sea posible con condiciones de ruido y velocidad de detección aceptables. Abra el bucle de retroalimentación e introduzca cero para el valor del integrador en la ventana de parámetros del software SPM.

A continuación, establezca el sesgo de unión en unos pocos milivoltios en la ventana de parámetros del software SPM. Finalmente, ajuste la ganancia del amplificador de corriente a uno por 10 a 7 voltios por amperio en la ventana de parámetros de valor del software SPM. Colóquelo en la pantalla montada en la cabeza o HMD y luego tome el objeto rastreable.

Si es necesario, vuelva a colocar el HMD en la cabeza del usuario mientras realiza los siguientes pasos para ver la escena de realidad virtual o el entorno de laboratorio, el teclado y el monitor de la computadora. El siguiente paso es marcar el punto de contacto en la escena virtual 3D. Este anclaje ayuda a encontrar el contacto fácilmente para posteriores intentos de manipulación utilizando la manipulación manual sin la necesidad de restablecer la fuente de voltaje multicanal controlable a distancia.

Para ello, active el control manual a lo largo del eje z solo marcando la casilla de verificación correspondiente en el software de la punta, manteniendo las casillas de verificación X e Y sin marcar. Mueva el objeto rastreable hacia abajo mientras observa las señales en tiempo real actual y delta-f que se muestran en verde y rosa en la escena virtual. Detenga el movimiento del objeto rastreable cuando las señales actual y delta-f muestren un salto brusco simultáneo.

La firma de una formación de contacto. Inicie la grabación de la trayectoria en la interfaz de realidad virtual haciendo clic en el botón correspondiente y moviendo el objeto rastreable hacia arriba. Detenga el registro de la trayectoria en la interfaz VR haciendo clic en el botón correspondiente tan pronto como se rompa el contacto entre la molécula y la punta.

La firma es una caída brusca simultánea de las señales actual y delta-f. Haga clic en el botón de pausa en el software de puntas para desactivar el control manual. Active el control manual del movimiento de la punta a lo largo de todos los ejes espaciales marcando las casillas de verificación X, Y y Z en el software y haciendo clic en el botón de inicio en el software de la punta.

Intente encontrar una trayectoria de elevación exitosa en la que la molécula en contacto se desprenda completamente de la superficie al final de la trayectoria. Para ello, acércate al punto donde el ancla exhibió la formación del contacto de la molécula de la punta moviendo el objeto rastreable mientras sigues el movimiento de la esfera que representa la posición actual de la punta en la escena virtual. Tan pronto como se forme el contacto, comience a grabar una nueva trayectoria en la interfaz de realidad virtual.

Tire de la molécula en una dirección adecuada para levantarla moviendo el objeto rastreable en consecuencia. Si se detecta una ruptura del contacto de la molécula de la punta, deje de registrar la trayectoria. Regrese al punto de contacto, inicie el registro de la trayectoria en la formación de contacto y ejecute una manipulación diferente.

Repita esta secuencia hasta que el levantamiento haya sido exitoso. Si el contacto de la molécula de la punta sigue siendo estable a Z es superior a 10 angstroms, esta es la firma para el levantamiento exitoso de la molécula. Para asegurarse de que la molécula está en la punta, acérquese nuevamente a la superficie.

Un aumento suave de delta-f que ocurre durante el acercamiento mientras la punta aún está lejos de la superficie indica que la molécula está unida a la punta y orientada perpendicularmente a la superficie. Después de un levantamiento exitoso, mueva el objeto rastreable hacia arriba para retraer la punta de 10 a 20 angstroms adicionales de la superficie. Esto reduce cualquier interacción de la molécula levantada con la superficie.

Fije la altura de la punta desmarcando la casilla de verificación Z y vuelva a mover la punta a las coordenadas X, Y iniciales con el control manual. Desmarque la casilla de verificación X o Y una vez que la coordenada respectiva se haya acercado a cero. Haga clic en el botón de pausa en el software de la punta para fijar la posición actual de la punta y desactivar el control manual.

Sin activar el bucle de retroalimentación, seleccione el conjunto de compensación X Y superior y luego haga clic en la imagen respectiva para colocar la punta sobre la superficie de plata limpia uno uno uno a una distancia de 50 a 100 angstroms de la isla donde se extrajo la molécula. A continuación, ajuste la ganancia del amplificador de corriente a uno por 10 a 9 voltios por amperio. Desmarque las casillas de verificación X e Y en el software de propinas y haga clic en el botón de inicio.

Mueva el objeto rastreable para acercarse a la superficie hasta que aparezca una corriente medible. Haga clic en el botón de pausa en el software de la punta para desactivar el control manual. Paso a paso, aumente el voltaje de polarización mediante el uso de un control deslizante controlado por el mouse en el software SPM hasta que haya un salto simultáneo en la corriente y delta-f que indica que la molécula cayó a la superficie.

Escanee el área en modo de corriente constante y verifique si la molécula se depositó de nuevo en la superficie. Finalmente, escanee el área en la región donde se extrajo la molécula para examinar la vacante creada. Aquí se muestra un ejemplo de la nanoestructuración de una capa molecular mediante manipulación controlada a mano.

La serie de imágenes STM muestra la creación secuencial de 47 vacantes mediante la eliminación consecutiva de moléculas individuales de PTCDA de una capa cerrada. Esta animación muestra 34 trayectorias de manipulación que condujeron a la eliminación exitosa de PTCDA de la capa mono. Aquí hay una animación de trayectorias de punta en 3D que demuestran el refinamiento de la trayectoria y la reproducibilidad mediante la manipulación controlada a mano.

La curva de grises representa una referencia inicial obtenida a partir del promedio de las trayectorias mostradas en la animación anterior. Las curvas coloreadas son siete intentos de manipulación siguiendo la trayectoria de referencia que fueron todos infructuosos, y siete intentos exitosos a lo largo de una trayectoria retorcida recién descubierta. Nuestro método de manipulación controlada a mano se puede aplicar fácilmente a nuevas tareas de manipulación o a nuevas moléculas.

Sin la necesidad de involucrar costosas simulaciones. Una vez dominada, la manipulación controlada a mano se puede utilizar para estudiar moléculas individuales en configuraciones que de otro modo serían inaccesibles. La realización de tales experimentos puede ampliar considerablemente nuestra comprensión de los procesos fundamentales que tienen lugar en tales uniones metálicas de moléculas metálicas.

Al realizar una manipulación controlada con la mano, el experimentador está sujeto a un proceso de aprendizaje. Posteriormente pretendemos formalizar ese aprendizaje y finalmente delegarlo a un ordenador.