A mano controllata manipolazione di singole molecole attraverso un microscopio a scansione di sonda con una realtà virtuale 3D

L'obiettivo generale della manipolazione manuale di singole molecole con il microscopio a scansione di sonda è l'esplorazione sistematica e intuitiva dei protocolli di manipolazione in tre dimensioni. Questo metodo espande le nostre capacità nel campo della nanotecnologia molecolare. Ad esempio, permettendoci di perfezionare sistematicamente i protocolli di manipolazione delle molecole e studiare le direzioni intermolecolari o persino di produrre strutture supermolecolari complesse.

Il vantaggio principale di questa tecnica è la sua natura intuitiva. Lo sperimentatore rompe gli schemi della programmazione delle traiettorie delle punte eseguite automaticamente. E si impegna direttamente nel processo di manipolazione.

L'estensione della manipolazione delle molecole alla terza dimensione e il distacco dalla superficie apre molte nuove opportunità, ma allo stesso tempo emerge inevitabilmente la necessità di un controllo della visualizzazione 3D. Impostare il microscopio a scansione a scansione a bassa temperatura guidato in 3D dalla mano dello sperimentatore, utilizzando un sistema di motion capture come descritto nel protocollo di testo. Preparare anche un campione depositando PTCDA sull'argento uno uno, come descritto nel protocollo di testo.

Impostare il microscopio a scansione a effetto tunnel o STM in modalità corrente costante con i parametri che facilitano il contrasto LUMO per PTCDA. Questo permette di determinare l'orientamento molecolare. Nel software SPM, inserire i parametri per la scansione, tra cui l'area da scansionare, i punti di impostazione per il ciclo di feedback e la velocità di scansione.

Fare clic sul pulsante di avvio nel software SPM per creare un'immagine del PTCDA. Dopo aver trovato la superficie adatta alla manipolazione come descritto nel protocollo di testo, creare una finestra panoramica e regolare l'area da scansionare e la velocità di scansione. Al fine di registrare un STM dettagliato di una piccola regione.

Successivamente, testare la capacità della punta di legarsi alla molecola di PTCDA. Quindi preparati a registrare uno spettro di distanza di corrente in cui la punta viene spostata verticalmente verso gli atomi di ossigeno carbossilici di PTCDA da tre a cinque angstrom. I in funzione di Z viene registrato impostando una tensione di polarizzazione costante e definendo una rampa di altezza della punta per avvicinarsi e ritrarre la punta dalla superficie.

Quindi fare clic sul pulsante spettro singolo nel software SPM e selezionare una posizione sull'immagine STM registrata più di recente sopra gli atomi di ossigeno carbossilici della molecola PTCDA selezionata per la manipolazione. Dove deve essere registrato lo spettro delle distanze correnti. Per verificare se la punta è nelle condizioni corrette, verificare che la curva della distanza di corrente registrata mostri la formazione di contatto tra la punta e la molecola sotto forma di un forte aumento della corrente.

In genere il contatto è abbastanza forte da 0,5 a tre angstrom che si sollevano attraverso la retrazione verticale della punta, dopodiché la corrente scende bruscamente quando il legame si rompe. Dopo aver scansionato nuovamente la molecola PTCDA selezionata per la manipolazione, posizionare la punta sull'atomo di ossigeno carbossilico scelto per la manipolazione selezionando set X, Y offset top, quindi facendo clic sulla rispettiva immagine. Utilizzare il punto di contatto corretto come verificato in precedenza.

Attivare l'anello ad aggancio di fase e impostare la modalità di controllo dell'ampiezza. Impostare l'ampiezza dell'oscillazione il più bassa possibile ma sufficientemente alta in modo tale che il rilevamento delta-F sia possibile con condizioni di rumore e velocità di rilevamento accettabili. Aprire il ciclo di feedback e immettere zero per il valore dell'integratore nella finestra dei parametri del software SPM.

Quindi, impostare la polarizzazione della giunzione su pochi millivolt nella finestra dei parametri del software SPM. Infine, impostare il guadagno dell'amplificatore di corrente su una volta 10 per 7 volt per ampere nella finestra dei parametri del valore del software SPM. Indossa il display montato sulla testa o l'HMD, quindi prendi l'oggetto tracciabile.

Se necessario, riposizionare l'HMD sulla testa dell'utente mentre si eseguono i seguenti passaggi per visualizzare la scena di realtà virtuale o l'ambiente di laboratorio, la tastiera e il monitor del computer. Il passo successivo consiste nel contrassegnare il punto di contatto nella scena virtuale 3D. Questo ancoraggio aiuta a trovare facilmente il contatto per ulteriori tentativi di manipolazione utilizzando la manipolazione manuale senza la necessità di ripristinare la sorgente di tensione multicanale controllabile a distanza.

A tale scopo, attivare la pulsantiera lungo l'asse z solo selezionando la casella di controllo corrispondente nel software di punta, mantenendo deselezionate le caselle di controllo X e Y. Sposta l'oggetto tracciabile verso il basso mentre guardi i segnali correnti e delta-f in tempo reale visualizzati in verde e rosa nella scena virtuale. Arrestare lo spostamento dell'oggetto tracciabile quando i segnali di corrente e delta-f mostrano un salto brusco simultaneo.

La firma di una formazione di contatto. Avvia la registrazione della traiettoria nell'interfaccia VR facendo clic sul pulsante corrispondente e spostando l'oggetto tracciabile verso l'alto. Interrompi la registrazione della traiettoria nell'interfaccia VR facendo clic sul pulsante corrispondente non appena il contatto tra la molecola e la punta si rompe.

La firma è una brusca caduta simultanea della corrente e dei segnali delta-f. Fare clic sul pulsante di pausa nel software di punta per disattivare la pulsantiera. Attiva il controllo manuale del movimento della punta lungo tutti gli assi spaziali selezionando le caselle di controllo X, Y e Z nel software e facendo clic sul pulsante di avvio nel software di punta.

Cerca di trovare una traiettoria di sollevamento di successo in cui la molecola contattata è completamente staccata dalla superficie alla fine della traiettoria. Per fare ciò, avvicinati al punto in cui l'ancora ha mostrato la formazione del contatto della molecola della punta spostando l'oggetto tracciabile mentre segui il movimento della sfera che rappresenta la posizione corrente della punta nella scena virtuale. Non appena si forma il contatto, inizia a registrare una nuova traiettoria nell'interfaccia VR.

Tirare la molecola in una direzione adatta al sollevamento spostando di conseguenza l'oggetto tracciabile. Se viene rilevata una rottura del contatto della molecola della punta, interrompere la registrazione della traiettoria. Torna al punto di contatto, avvia la registrazione della traiettoria sulla formazione del contatto ed esegui una manipolazione diversa.

Ripetere questa sequenza fino a quando il sollevamento non è andato a buon fine. Se il contatto della molecola della punta è ancora stabile a Z è maggiore di 10 angstrom, questa è la firma per il successo del sollevamento della molecola. Per assicurarsi che la molecola si trovi sulla punta, avvicinarsi nuovamente alla superficie.

Un aumento graduale di delta-f che si verifica durante l'avvicinamento mentre la punta è ancora lontana dalla superficie indica che la molecola è attaccata alla punta e orientata perpendicolarmente alla superficie. Dopo un sollevamento riuscito, spostare l'oggetto tracciabile verso l'alto per ritrarre la punta di altri 10-20 angstrom dalla superficie. Ciò riduce qualsiasi interazione della molecola sollevata con la superficie.

Correggi l'altezza della punta deselezionando la casella di controllo Z e riporta la punta alle coordinate iniziali X, Y usando la pulsantiera. Deseleziona la casella di controllo X o Y una volta che la rispettiva coordinata si è avvicinata allo zero. Fare clic sul pulsante di pausa nel software della punta per fissare la posizione corrente della punta e disattivare la pulsantiera.

Senza attivare il ciclo di feedback, selezionare set X Y offset top, quindi fare clic sulla rispettiva immagine per posizionare la punta sopra la superficie pulita dell'argento uno uno a 100 angstrom di distanza dall'isola in cui è stata estratta la molecola. Quindi impostare il guadagno dell'amplificatore di corrente a una volta 10 al 9° volt per ampere. Deseleziona le caselle di controllo X e Y nel software di suggerimento e fai clic sul pulsante di avvio.

Sposta l'oggetto tracciabile per avvicinarti alla superficie finché non viene visualizzata una corrente misurabile. Fare clic sul pulsante di pausa nel software di punta per disattivare la pulsantiera. Per quanto riguarda le fasi, aumentare la tensione di polarizzazione utilizzando un cursore controllato dal mouse nel software SPM fino a quando non si verifica un salto simultaneo di corrente e delta-f che indica che la molecola è caduta in superficie.

Scansiona l'area in modalità corrente costante e controlla se la molecola è stata effettivamente depositata sulla superficie. Infine, scansiona l'area nella regione in cui è stata estratta la molecola per esaminare il posto vacante creato. Di seguito è riportato un esempio per la nanostrutturazione di uno strato molecolare mediante manipolazione controllata a mano.

La serie di immagini STM mostra la creazione sequenziale di 47 posti vacanti mediante rimozione consecutiva di singole molecole di PTCDA da uno strato chiuso. Questa animazione mostra 34 traiettorie di manipolazione che hanno portato alla rimozione di PTCDA dal livello mono. Ecco un'animazione delle traiettorie della punta 3D che dimostrano l'affinamento della traiettoria e la riproducibilità attraverso la manipolazione controllata a mano.

La curva grigia rappresenta un riferimento iniziale ottenuto dalla media delle traiettorie mostrate nell'animazione precedente. Le curve colorate sono sette tentativi di manipolazione che seguono la traiettoria di riferimento che sono stati tutti infruttuosi e sette tentativi riusciti lungo una traiettoria attorcigliata appena trovata. Il nostro metodo di manipolazione manuale può essere facilmente applicato a nuove attività di manipolazione o a nuove molecole.

Senza la necessità di coinvolgere costose simulazioni. Una volta padroneggiata, la manipolazione manuale può essere utilizzata per studiare singole molecole in configurazioni altrimenti inaccessibili. L'esecuzione di tali esperimenti può ampliare considerevolmente la nostra comprensione dei processi fondamentali che avvengono in tali giunzioni metalliche di molecole metalliche.

Quando si esegue la manipolazione a mano, lo sperimentatore è soggetto al processo di apprendimento. Più tardi intendiamo formalizzare quell'apprendimento e infine delegarlo a un computer.