Name: A mano controllata manipolazione di singole molecole attraverso un microscopio a scansione di sonda con una realtà virtuale 3D (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: Impara la manipolazione manuale di singole molecole organiche con microscopia a scansione di sonda e realtà virtuale 3D. Questo metodo intuitivo consente di affinare i protocolli e studiare le interazioni molecolari per la nanotecnologia.

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Gli autori non hanno riconoscimenti.

<ol><li>Barth, J. V., Costantini, G., Kern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+atomic+and+molecular+nanostructures+at+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Engineering atomic and molecular nanostructures at surfaces.</a> Nature. 437, 671-679 (2005).</li>
<li>Otero, R., Rosei, F., Besenbacher, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+tunneling+microscopy+manipulation+of+complex+organic+molecules+on+solid+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Scanning tunneling microscopy manipulation of complex organic molecules on solid surfaces.</a> Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 497-525 (2006).</li>
<li>Urgel, J. I., Ecija, D., Auwärter, W., Barth, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+Manipulation+of+Gadolinium+Coordinated+Supramolecules+by+Low-Temperature+Scanning+Tunneling+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Controlled Manipulation of Gadolinium Coordinated Supramolecules by Low-Temperature Scanning Tunneling Microscopy.</a> Nano Lett. 14, 1369-1373 (2014).</li>
<li>Fournier, N., Wagner, C., Weiss, C., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Force-controlled+lifting+of+molecular+wires%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Force-controlled lifting of molecular wires.</a> Phys. Rev. B. 84, 035435(2011).</li>
<li>Wagner, C., Fournier, N., Tautz, F. S., Temirov, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+Binding+Energies+of+the+Organic-Metal+Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride%2FAu%28111%29+Bonds+by+Molecular+Manipulation+Using+an+Atomic+Force+Microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Measurement of the Binding Energies of the Organic-Metal Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride/Au(111) Bonds by Molecular Manipulation Using an Atomic Force Microscope.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (7), 076102(2012).</li>
<li>Wagner, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-additivity+of+molecule-surface+van+der+Waals+potentials+from+force+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Non-additivity of molecule-surface van der Waals potentials from force measurements.</a> Nat. Commun. 5, 5568(2014).</li>
<li>Green, M. F. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patterning+a+hydrogen-bonded+molecular+monolayer+with+a+hand-controlled+scanning+probe+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Beilstein+Journal+of+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Patterning a hydrogen-bonded molecular monolayer with a hand-controlled scanning probe microscope.</a> Beilstein Journal of Nanotechnology. 5, 1926-1932 (2014).</li>
<li>Leinen, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+reality+visual+feedback+for+hand-controlled+scanning+probe+microscopy+manipulation+of+single+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Beilstein+J.+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Virtual reality visual feedback for hand-controlled scanning probe microscopy manipulation of single molecules.</a> Beilstein J. Nanotechnol. 6, 2148-2153 (2015).</li>
<li>Wagner, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+Quantum+Dot+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Scanning Quantum Dot Microscopy.</a> Phys. Rev. Lett. 115 (2), 026101(2015).</li>
<li>Mura, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+and+theoretical+analysis+of+H-bonded+supramolecular+assemblies+of+PTCDA+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Experimental and theoretical analysis of H-bonded supramolecular assemblies of PTCDA molecules.</a> Phys. Rev. B. 81 (19), 195412(2010).</li>
<li>Besocke, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+easily+operable+scanning+tunneling+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci.+Lett%22%5BJournal%5D)">An easily operable scanning tunneling microscope.</a> Surf. Sci. Lett. (1-2), 145-153 (1987).</li>
<li>Giessibl, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Mod.+Phys%22%5BJournal%5D)">Advances in atomic force microscopy.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (3), 949-983 (2003).</li>
<li>Albrecht, T. R., Grütter, P., Horne, D., Rugar, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+modulation+detection+using+high-Q+cantilevers+for+enhanced+force+microscope+sensitivity%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity.</a> J. Appl. Phys. 69 (2), 668-673 (1991).</li>
<li>Temirov, R., Lassise, A., Anders, F. B., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kondo+effect+by+controlled+cleavage+of+a+single-molecule+contact%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Kondo effect by controlled cleavage of a single-molecule contact.</a> Nanotechnology. 19 (6), 065401(2008).</li>
<li>Glöckler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+ordered+structures+and+submolecular+scanning+tunnelling+microscopy+contrast+of+PTCDA+and+DM-PBDCI+monolayers+on+Ag%28111%29+and+Ag%28110%29%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Highly ordered structures and submolecular scanning tunnelling microscopy contrast of PTCDA and DM-PBDCI monolayers on Ag(111) and Ag(110).</a> Surf. Sci. 405 (1), 1-20 (1998).</li>
<li>Simon, G. H., Heyde, M., Rust, H. -P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recipes+for+cantilever+parameter+determination+in+dynamic+force+spectroscopy%3A+spring+constant+and+amplitude%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Recipes for cantilever parameter determination in dynamic force spectroscopy: spring constant and amplitude.</a> Nanotechnology. 18 (25), 255503(2007).</li>
<li>Rohlfing, M., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorption+structure+and+scanning+tunneling+data+of+a+prototype+organic-inorganic+interface+PTCDA+on+Ag+%28111%29%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Adsorption structure and scanning tunneling data of a prototype organic-inorganic interface PTCDA on Ag (111).</a> Phys. Rev. B. 76 (11), 115421(2007).</li>
<li>Guthold, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+Manipulation+of+Molecular+Samples+with+the+nanoManipulator%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE%2FASME+Trans.+Mechatronics%22%5BJournal%5D)">Controlled Manipulation of Molecular Samples with the nanoManipulator.</a> IEEE/ASME Trans. Mechatronics. 5 (2), 189-198 (2000).</li>
</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare e nessun interesse finanziario in competizione.

Come altri metodi SPM-based, gli esperimenti di manipolazione molecolari descritti nel presente documento dipendono in parte anche sulle proprietà della punta SPM. La struttura di vertice punta (che non può essere completamente controllato) determina la forza del legame punta-molecola. Da qui la forza del contatto punta-molecola può variare notevolmente e quindi a volte può essere troppo bassa. Quindi all&#39;interno del protocollo si fa riferimento ad alcuni test di base di procedure di qualità punta e trattamento punt...

La non-contatto a forza atomica / microscopio a effetto tunnel a bassa temperatura (LT NC-AFM / STM, in seguito SPM semplicemente chiamato) è lo strumento di scelta per atomicamente precisa manipolazione di singoli atomi o molecole 1 - 3. manipolazione SPM-based è tipicamente limitato a due dimensioni e consiste in una serie di eventi di manipolazione bruschi e spesso stocastici (salti). Questo limita essenzialmente controllo sul processo. Contattare la molecola in questione da un singolo legame chimico in una posizione ben definita atomico porta ad un approccio che può superare queste limitazioni 4 - 9. Durante la sua manipolazione molecola contatto è collegato alla punta SPM modo che muove la molecola nelle tre dimensioni mediante opportuni spostamenti della punta diventa possibile. Ciò crea la possibilità di varie procedure di manipolazione complesse eseguite nello spazio 3D. Tuttavia la manipolazione può essere contattato hindered da interazioni della molecola manipolato con la superficie e / o altre molecole nel suo ambiente, che può creare forze che sono grandi abbastanza per rompere il contatto punta-molecola. Pertanto una particolare traiettoria 3D della punta SPM può o non può causare un evento di manipolazione successo. Una domanda si pone quindi come definire i protocolli che portano al completamento con successo di manipolazione nelle circostanze in cui il legame punta molecola ha una resistenza limitata, mentre le interazioni della molecola manipolato con l&#39;ambiente non sono a priori ben caratterizzati. Qui la questione si avvicina nel immaginabile modo più intuitivo. Lo sperimentatore è permesso di controllare gli spostamenti della punta SPM semplicemente muovendo la mano 7. Ciò si ottiene accoppiando la SPM ad un sistema di motion capture commerciale, alcune delle specifiche di cui sono forniti di seguito. Il vantaggio di &quot;manipolazione controllata mano&quot; (HCM) è in tha la capacità di sperimentatore di provare diverse traiettorie di manipolazione in modo rapido e imparare da loro successo o il fallimento. La configurazione HCM è stato utilizzato per condurre un esperimento di prova di principio in cui una parola ( &quot;JÜLICH&quot;) è stato imitazioni in uno strato chiuso di perilene-3,4,9,10-tetracarbossilico dianidride (PTCDA) molecole su Ag ( 111), eliminando 48 molecole, una ad una, con HCM 7. Sollevamento una molecola dalle fende superficie i suoi legami idrogeno intermolecolari che legano le molecole in monostrato 10. Tipicamente la forza totale degli attuali legami intermolecolari supera la forza del singolo legame chimico tra l&#39;atomo più esterno della punta e un atomo di ossigeno carbossilico PTCDA con cui la molecola viene contattato (vedi Figura 1). Questo può portare alla rottura del contatto punta-molecola e la seguente fallimento del tentativo di manipolazione. Il compito del sperimentatore è quindi quello di determine una traiettoria punta che rompe i legami intermolecolari resistenti sequenziale piuttosto che simultaneamente, in modo che la forza totale applicata al contatto punta-molecola non eccede mai la sua forza. Sebbene la traiettoria desiderata può in linea di principio essere simulata, a causa delle dimensioni e della complessità del sistema coinvolto simulazioni necessarie vorrebbe un proibitivamente grande quantità di tempo. In contrasto a ciò, utilizzando HCM è stato possibile rimuovere la prima molecola dopo 40 minuti. Verso la fine dell&#39;esperimento estrazione ha già molto meno tempo che conferma l&#39;efficacia della procedura di apprendimento. Inoltre, la precisione e la versatilità del metodo CMI è stato evidenziato in atto di manipolazione inverso quando una molecola estratta dalla posizione vicina è stato utilizzato per chiudere il vuoto lasciato dopo la rimozione errata di un&#39;altra molecola del monostrato. approccio motion capture, pur essendo veloce e intuitivo, èlimitato alla produzione di dati tip-traiettoria. Per ulteriore sviluppo sistematico di nuovi protocolli di manipolazione molecolare è altrettanto importante essere in grado di visualizzare i dati punta traiettoria in tempo reale, nonché per analizzare i dati generati in precedenza. Pertanto, la funzionalità della configurazione HCM è rafforzata notevolmente con l&#39;aggiunta di occhiali per la realtà virtuale che consentono sperimentalista per vedere i dati tracciati nella scena virtuale in 3D in cui la traiettoria punta è aumentata dalla corrente (I) e spostamento di frequenza dei valori (Af) misurati dalla SPM in tempo reale 8 (vedi sotto). In aggiunta a ciò, la scena realtà virtuale mostra un modello della molecola manipolato che funge da riferimento scala visiva. Così la configurazione HCM accompagnato da l&#39;interfaccia di realtà virtuale è adatto per la mappatura sistematica dello spazio manipolazione traiettoria e successiva affinamento dei protocolli di manipolazione promettenti. Oltre a ciò il sistema facilita anche il trasferimento di conoscenze tra desperimenti ifferent. I paragrafi seguenti forniscono una descrizione della configurazione e alcune delle sue caratteristiche rilevanti per esperimenti di manipolazione. Gli esperimenti vengono eseguiti in ultra-alto vuoto (UHV) ad una pressione di base di 1 x 10 -10 mbar con un SPM commerciale costituito da una camera di preparazione e di una camera di analisi. La camera di preparazione è dotato di: Ar + di base utilizzato per sputtering campione, il trasferimento del campione tramite manipolatore (permette il riscaldamento e il raffreddamento di un campione), la diffrazione a bassa energia degli elettroni (LEED), una cella di Knudsen personalizzato (K-cell) contenente PTCDA in polvere purificato per sublimazione. La camera di analisi è dotata di: LN 2 bagni criostato con un volume di 12 L e un tempo di 46 ore la detenzione, LHe bagno criostato (5 L, 72 ore), Besocke 11 coleottero tipo SPM dotato di un sensore diapason 12 ( TFS) costituito da un diapason al quarzo con una punta PTIR collegato elettricamente (funzionamento STM), Che viene tagliato e affilata da un fascio ionico focalizzato (FIB) (Figura 2). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" /> Figura 2. sintonia sensore a forcella. (A) Immagine di un sensore diapason commerciale con annesso punta PTIR. (B) SEM immagine della punta apice PTIR tagliare con FIB. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> L&#39;AFM funziona in modalità a modulazione di frequenza (FM) 13 dove il TFS è eccitato alla risonanza (f 0 ≈ 31.080 Hz) con un piezo dither. Il segnale piezoelettrico del diapason oscillante viene amplificato e utilizzato da un anello ad aggancio di fase (PLL), che mantiene l&#39;ampiezza di oscillazione costante del TFS e tiene traccia delle modifiche di its frequenza di risonanza, Af = f - f 0, che proviene dal gradiente della forza agente sulla punta. Come mostrato in figura 3 la posizione della punta SPM è controllato da tensioni (u x, y u, u z) applicato ad un insieme di assi X, Y, Z-piezo (costanti piezoelettrici a 5 K: x = 15, y = 16, z = 6 A / V). L&#39;u x, y u, u z -voltages (± 10 V con una risoluzione di 20 bit) sono generati in corrispondenza delle uscite di elettronica SPM. Sono ulteriormente amplificati da un amplificatore ad alta tensione (HV) che ha una tensione di uscita massima di ± 200 V. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" /> Figura 3. Schema del setup HCM. La posizione (oggetto tracciato) per che dispone di più (infrarossi) fonti IR installati sulla sua superficie viene monitorata da due telecamere a infrarossi del sistema di motion capture (MCS). TipControl cosìottiene ftware il TO coordinate (x, y, z) da MCS e lo passa alla sorgente di tensione a distanza (RVS) che genera una serie di tensioni (v x, v y, v z) che sono riassunta con le tensioni (u x , u y, z u) ha prodotto dall&#39;elettronica SPM per il controllo della posizione della punta SPM. La tensione aggiunto passa attraverso un amplificatore ad alta tensione (HV) ed è ulteriormente applicato al sistema piezo-posizionamento della punta SPM. La configurazione permette il controllo manuale del posizionamento punta quando l&#39;anello di retroazione SPM (FB) è aperto. La posizione (x, y, z) della punta così come I (x, y, z) e Af (x, y, z) sono passati al software VRinterface che traccia nella scena virtuale in 3D visto da parte dell&#39;operatore indossare il head-mounted display (HMD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> La corrente di tunneling che scorre tra la punta e SPMla superficie è misurata da un amplificatore a transimpedenza con un guadagno variabile che va da 1 x 10 3 al 1 x 10 9 V / A (larghezza di banda a guadagno 1 x 10 9 V / A è 1 kHz). L&#39;uscita dell&#39;amplificatore è alimentato nel circuito di retroazione STM (FB) per regolare l&#39;altezza della punta di sopra della superficie in modalità di scansione corrente costante. La stabilità della giunzione (con l&#39;oscillazione TFS spento) è 1-3 pm. Il segnale di oscillazione piezoelettrico del TFS è amplificato in due fasi: (1) preamplificatore fissato allo schermo LN 2 (guadagno 1 x 10 8 V / A, banda di 20 kHz), e (2) amplificatore di tensione esterna con guadagno variabile da 1 x 10 1 a 5 x 10 4 e una larghezza di banda di 1 MHz. Per gli esperimenti HCM, la messa a punto SPM è esteso con: sistema di motion capture (MCS), fonte di tensione multicanale controllabile a distanza (RVS), amplificatore sommando e la testa della realtà virtuale montata display (HMD). Tutti i dispositivi elencati, ad eccezione della Summing amplificatore sono stati acquisiti in commercio. MSC è un infrarossi (IR) del sistema marcatore-tracking che permette la risoluzione millimetro di spostamenti spaziali ad una velocità di 100 Hz. Il sistema è composto da due telecamere IR, un oggetto tracciabile (TO) e il software di controllo. Il software MCS ottiene le assi X, Y, Z-coordinate del TO nello spazio 3D analizzando le sue immagini ottenute dalle due telecamere. MCS fornisce una libreria di programmazione che permette l&#39;uso delle coordinate di TO in un software separato. Le coordinate di a (x AI, Y per, z TO) sono passati ad un programma di software personalizzato sviluppato &quot;TipControl&quot;. La figura 4 mostra uno screenshot dell&#39;interfaccia utente grafica. Il software viene attivato dal pulsante &quot;start&quot; nella finestra. Dopo l&#39;attivazione (τ = 0) il software imposta tutte le v x -, v y -, v z -voltages su RVS (campo di tensione ± 10 V a 16bit di risoluzione, 50 msec latenza per step tensione) secondo la seguente espressione <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" /> ecc, dove c x, y c, c z sono i fattori che convertono 5 cm dello spostamento di TO in 1 Å spostamento della punta SPM. I fattori di p x (t), p y (t), p z (t) hanno valori definiti dallo stato della x, y, z-caselle di controllo nella finestra del software. Se la casella è selezionata, il p corrispondente (t) è impostato a 1. Tutti p (t) sono impostati a 0 nel momento in cui viene premuto il tasto &quot;pausa&quot; nella finestra del software. Ciò consente all&#39;operatore di temporaneamente &quot;congelare&quot; la posizione della punta. Premendo il pulsante &quot;Reset All&quot; nella finestra del software imposta v x -, v y -, v z -voltages a zero che restituisce la punta alla sua posizione iniziale definita dal software SPM. Il campo di testo &quot;comando manuale RVS&quot; nella finestra del software CA<html> n essere utilizzato per impostare una delle v x -, v y -, v z -voltages su qualsiasi valore nell&#39;intervallo consentito di ± 10 V. Il v x -, v y -, v z -voltages generato da RVS sono aggiunti alla u x -, u y -, u z segnali di tensione -output di elettronica SPM attraverso un amplificatore di somma (guadagno 1, larghezza di banda di 50 kHz, campo di uscita ± 10 V). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" /> Figura 4. Schermata della finestra di interfaccia. Due indicatori mostrano lo stato della connessione con sistemi MCS e RVS. Le caselle di controllo vengono utilizzati per attivare mano-controllo lungo gli assi spaziali selezionati. Il pulsante &quot;Start&quot; inizia il flusso di dati tra MCS, TipControl e RVS secondo lo schema mostrato in figura 3. Button &quot;Pausa&quot; interrompe il flusso di dati. Pulsante &quot;Reset totale&quot; imposta tutti RVS tensioni a zero.= &quot;Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Per la visualizzazione dei dati sperimentali (punta traiettoria, io, Af) viene utilizzato un head-mounted display (HMD). Il HMD fornisce una visione stereoscopica (display diviso HD - una metà per ogni occhio, 1.920 x 1.080 pixel a 75 Hz). Una telecamera IR dedicato traccia la posizione e l&#39;orientamento HMD nello spazio 3D mediante IR-LED montati sulla superficie HMD. Il sistema di inseguimento HMD consente all&#39;operatore di modificare la vista all&#39;interno della scena realtà virtuale 3D da un giro di testa o semplicemente muovendo il loro corpo. Il software personalizzato scritto &quot;VRinterface&quot; raccoglie i dati sia dal SPM e MCS, rende nella scena 3D utilizzando OpenGL e lo visualizza nel HMD con l&#39;aiuto del kit di sviluppo software HMD (SDK). VRinterface recupera il X attuale, y-, z coordinate della punta direttamente dalsoftware di punta (pochi millisecondi di latenza), mentre segnali I e Af vengono letti direttamente dalle uscite dei componenti elettronici SPM (latenza ≈ 250 msec). La Figura 5 mostra uno screenshot della scena virtuale in 3D come visto da parte dell&#39;operatore indossando HMD durante HCM. All&#39;interno della scena virtuale in 3D l&#39;apice punta è reso come una sfera bianca. La colorazione delle traiettorie punta registrate riflette i valori di entrambi log (I (x, y, z)) o Af (x, y, z). La commutazione tra log (I (x, y, z)) o Af (x, y, z) modalità di colore è fatto dal pressione di un tasto. Un altro pulsante avvia la registrazione (e la visualizzazione) dei dati sperimentali punta di traiettoria. Quando si preme nuovamente il pulsante si ferma la registrazione. La scena virtuale mostra anche una molecola PTCDA statico che viene utilizzato come supporto visivo durante la manipolazione. L&#39;operatore allinea il suo orientamento manualmente per adattarsi all&#39;orientamento del reale molecola sulla superficie utilizzando i tasti su una tastiera. Attenzione: perché la testa ttravaso di HMD si basa su IR-LED, potrebbe interferire con la MCS in quanto utilizza anche la luce a infrarossi per tenere traccia della posizione del TO. Quindi deve avere una forma unica riconosciuta dalla MCS. Questo aiuta MCS di discriminare tra i segnali che provengono da TO e quelli provenienti da IR-LED di HMD. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" /> Figura 5. S creenshot della scena virtuale in 3D visualizzato all&#39;operatore in HMD durante HCM. Un insieme di sfere bianche costituisce un modello Ag (111) di superficie. Orientamento della superficie del modello non può necessariamente coincidere con l&#39;orientamento del campione. Un modello della molecola PTCDA è disposto sopra la superficie del modello. C, O, H atomi di PTCDA sono mostrati in nero, rosso e bianco, rispettivamente. Ai fini dell&#39;orientamento convenienza azimutale della molecola modello può essere regolato per adattarsi all&#39;orientamento del reale molecola presceltaper la manipolazione. La posizione della punta è segnata da una singola sfera bianco che rappresenta il più esterno dell&#39;atomo punta apice. Il tempo reale I (x, y, z) e Af (y x, z,) i dati vengono visualizzati come indicatori a barre posti vicino alla punta. Registrato in precedenza nonché le manipolazioni attualmente effettuate sono visualizzati come traiettorie 3D il cui colore rappresenta o log (I (x, y, z)) (y, x, z) valori Af misurata in posizioni della traiettoria corrispondente o. La figura mostra le traiettorie che sono di colore con log (x, y,) I (z) del segnale. Il contrasto di colore può essere commutato tra log (I (x, y, z)) e Af (x, y, z) le modalità di pressione di un pulsante. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

<table><tbody><tr><td>LN2</td><td></td><td></td><td>attenzione: liquido criogenico</td></tr><tr><td>LHe</td><td></td><td></td><td>attenzione: liquido criogenico</td></tr><tr><td>PTCDA</td><td></td><td></td><td>attenzione: sostanza irritante</td></tr><tr><td>Cella di Knudsen (cella K)</td><td></td><td></td><td>personalizzata</td></tr><tr><td>ErLEED</td><td>Specifiche</td><td></td><td>utilizzate con l'alimentatore ErLEED 1.000 A</td></tr><tr><td>combiente LT NC-AFM/STM</td><td>Sensore Createc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>qPlus</td> Preamplificatore <td>Createc</td><td></td><td>TFS</td></tr><tr><td>Amplificatore</td><td>Createc</td><td></td><td>per segnale diapason fissato allo schermo LN2 (stadio 1)</td></tr><tr><td>Preamplificatore a bassa tensione a basso rumore</td><td>Standford Research System</td><td>SR560</td><td>Amplificatore esterno per segnale diapason (stadio 2)</td></tr><tr><td>Amplificatore a corrente a basso rumore a guadagno variabile</td><td>Femto</td><td>Amplificatore DLPCA-200</td><td>per corrente di tunneling</td></tr><tr><td>Bonita</td><td>Vicon</td><td>B10, SN: MXBN-0B10-3658</td><td>Telecamera IR MCS</td></tr><tr><td>Dispositivo di interazione apicale</td><td>Vicon</td><td>SN: AP0062</td><td>Bacchetta di calibrazione MX Bacchetta</td></tr> di <tr><td>calibrazione</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS</td></tr><tr><td>Tracker</td> Software <td>Vicon</td><td></td><td>MCS</td></tr><tr><td>Alimentazione</td> <td>di tensione serie BSstahl-electronics</td> Amplificatore sommatore <td>BS 1-4</td><td>RVS</td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td></td><td></td><td>su misura, guadagno 1, basato su amplificatore operazionale TL072</td></tr><tr><td>Kit di sviluppo Oculus Rrift 2</td><td>Oculus VR</td><td></td><td>HMD</td></tr><tr><td>TipControl</td><td></td><td></td><td>software personalizzato</td></tr><tr><td>VRinterface</td><td></td><td></td><td>software personalizzato</td></tr></tbody></table>

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

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Considerando molecole organiche come i mattoni funzionali della tecnologia futura nanoscala, la questione di come organizzare e assemblare tali blocchi di costruzione in un approccio bottom-up è ancora aperto. Il microscopio a scansione di sonda (SPM) potrebbe essere uno strumento di scelta; Tuttavia, la manipolazione SPM basata stata fino a poco tempo limitato a due dimensioni (2D). Binding la punta SPM a una molecola in una posizione ben definita apre la possibilità di manipolazione controllata nello spazio 3D. Purtroppo, manipolazione 3D è sostanzialmente incompatibile con la tipica 2D-paradigma dei dati di visualizzazione e la generazione SPM su un computer. Per la manipolazione intuitiva ed efficiente abbiamo quindi un paio a bassa temperatura senza contatto a forza atomica / microscopio a effetto tunnel (LT NC-AFM / STM) a un sistema di motion capture e completamente immersivi occhiali di realtà virtuale. Questa configurazione consente di &quot;manipolazione controllata mano&quot; (CMI), nel quale la punta SPM è spostato secondo il movimento della mano dello sperimentatore, wHile le traiettorie punta e la risposta della giunzione SPM vengono visualizzati in 3D. HCM apre la strada allo sviluppo di protocolli di manipolazione complesse, che possono portare a una migliore comprensione fondamentale delle interazioni su scala nanometrica che agiscono tra le molecole sulle superfici. Qui si descrive l&#39;impostazione e le misure necessarie per raggiungere la manipolazione molecolare controllato mano di successo all&#39;interno dell&#39;ambiente di realtà virtuale.

Nota: Questa parte mostra lavoro pubblicato nel 7,8. Applicando HCM al problema del sollevamento PTCDA / Ag (111) da uno strato, siamo stati in grado di scrivere un modello rimuovendo sequenziale singole molecole (Figura 9). In totale sono stati rimossi 48 molecole, 40 dei quali potrebbero essere ridepositato al Ag pulita (111), mostrando che le molecole rimangono intatti durante il...

Dimostriamo la manipolazione precisa di singole molecole organiche su una superficie metallica con la punta di un microscopio a scansione di sonda guidato in 3D dalla mano dello sperimentatore utilizzando un sistema di motion capture e occhiali per realtà virtuale completamente immersiva.

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

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

L'obiettivo generale della manipolazione controllata a mano di singole molecole mediante microscopio a sonda scansione è l'esplorazione sistematica e intuitiva di protocolli di manipolazione in tre dimensioni. Questo metodo amplia le nostre capacità nel campo della nanotecnologia molecolare. Ad esempio, permette di affinare sistematicamente i protocolli di manipolazione per le molecole e di studiare le direzioni intermolecolari o addirittura di produrre strutture supramolecolari complesse.Il vantaggio principale di questa tecnica è la sua natura intuitiva. L'operatore supera lo schema della programmazione di traiettorie automatiche della punta. E partecipa direttamente al processo di manipolazione.Estendere la manipolazione delle molecole alla terza dimensione e staccarle dalla superficie apre numerose nuove opportunità, ma al contempo emerge inevitabilmente la necessità di un controllo tridimensionale della visualizzazione. Configurare il microscopio a sonda a scansione a bassa temperatura azionato manualmente in 3D dall'operatore, utilizzando un sistema di acquisizione del movimento come descritto nel protocollo testuale. Inoltre, preparare un campione depositando PTCDA su argento uno uno uno, come descritto nel protocollo testuale.Impostare il microscopio a scansione a effetto tunnel, o STM, in modalità corrente costante con i parametri che favoriscono il contrasto del LUMO per il PTCDA. Questo permette di determinare l'orientamento molecolare. Nel software SPM, inserire i parametri della scansione, inclusa l'area da scansionare, i valori di riferimento per il circuito di retroazione e la velocità di scansione.Fare clic sul pulsante di avvio nel software SPM per acquisire l'immagine del PTCDA. Dopo aver individuato l'area superficiale adatta alla manipolazione come descritto nel protocollo testuale, creare una finestra di panoramica e regolare l'area da scansionare e la velocità di scansione. Al fine di registrare un STM dettagliato di una piccola regione.Successivamente, verificare la capacità della punta di legarsi alla molecola di PTCDA. Quindi prepararsi a registrare uno spettro corrente-distanza in cui la punta viene spostata verticalmente verso gli atomi di ossigeno carbossilico del PTCDA di tre-cinque angstrom. I in funzione di Z viene registrato impostando una tensione di polarizzazione costante e definendo una rampa di altezza della punta per avvicinarla e allontanarla dalla superficie.Quindi fare clic sul pulsante "spettro singolo" nel software SPM e selezionare una posizione sull'immagine STM più recente, al di sopra degli atomi di ossigeno carbossilici della molecola di PTCDA selezionata per la manipolazione, dove lo spettro corrente-distanza dovrebbe essere registrato. Per verificare che la punta sia in condizioni adeguate, accertarsi che la curva corrente-distanza registrata mostri la formazione di un contatto tra la punta e la molecola sotto forma di un brusco aumento della corrente.Tipicamente il contatto è abbastanza forte da consentire un sollevamento di 0,5 a tre angstrom mediante ritrazione verticale della punta, dopo di che la corrente cala bruscamente quando il legame si rompe. Dopo aver eseguito nuovamente la scansione della molecola di PTCDA selezionata per la manipolazione, posizionare la punta sopra l'atomo di ossigeno carbossilico scelto per la manipolazione selezionando l'offset X, Y superiore e quindi facendo clic sull'immagine corrispondente. Utilizzare il punto di contatto corretto, precedentemente verificato.Attivare il circuito ad aggancio di fase e impostare la modalità di controllo dell'ampiezza. Impostare l'ampiezza di oscillazione il più bassa possibile, ma sufficientemente alta da permettere la rilevazione del delta-F con condizioni di rumore accettabili e una velocità di rilevazione adeguata. Aprire il circuito di retroazione e inserire zero come valore dell'integratore nella finestra dei parametri del software SPM.Quindi, impostare la polarizzazione del giunzione a qualche millivolt nella finestra dei parametri del software SPM. Infine, impostare il guadagno dell'amplificatore di corrente a uno per dieci alla settima volt per ampere nella finestra dei valori dei parametri del software SPM. Indossare il display montato sulla testa, o HMD, quindi prendere l'oggetto tracciabile.Se necessario, riposizionare il dispositivo di realtà virtuale (HMD) sulla testa dell'utente mentre si eseguono i seguenti passaggi per visualizzare la scena in realtà virtuale o l'ambiente del laboratorio, la tastiera e il monitor del computer. Il passo successivo consiste nel contrassegnare il punto di contatto nella scena virtuale 3D. Questo punto di ancoraggio facilita il ritrovamento del contatto per ulteriori tentativi di manipolazione mediante il controllo manuale, senza dover reimpostare la sorgente remota di tensione multicanale.A tal fine, attivare il controllo manuale solo lungo l'asse z selezionando la relativa casella di controllo nel software del puntale, mantenendo deselezionate le caselle di controllo per gli assi X e Y. Spostare l'oggetto tracciabile verso il basso osservando i segnali in tempo reale di corrente e delta-f visualizzati in verde e rosa nella scena virtuale. Arrestare lo spostamento dell'oggetto tracciabile quando i segnali di corrente e delta-f mostrano un brusco aumento simultaneo.La firma della formazione di un contatto. Avviare la registrazione della traiettoria nell'interfaccia VR cliccando sul pulsante corrispondente e spostando l'oggetto tracciabile verso l'alto. Arrestare la registrazione della traiettoria nell'interfaccia VR cliccando sul pulsante corrispondente non appena il contatto tra la molecola e la punta si rompe.La firma consiste in una brusca diminuzione simultanea del segnale di corrente e del segnale delta-f. Fare clic sul pulsante di pausa nel software del manipolo per disattivare il controllo manuale. Attivare il controllo manuale dello spostamento del manipolo 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 del manipolo.Cercare di trovare una traiettoria di sollevamento riuscita in cui la molecola a contatto sia completamente staccata dalla superficie alla fine della traiettoria. A tal fine, avvicinarsi al punto in cui l'ancoraggio ha mostrato la formazione del contatto con la molecola della punta, spostando l'oggetto tracciabile e seguendo nel contempo il movimento della sfera che rappresenta la posizione corrente della punta nella scena virtuale. Non appena il contatto viene stabilito, iniziare a registrare una nuova traiettoria nell'interfaccia di realtà virtuale.Tirare la molecola in una direzione adatta per il sollevamento, muovendo di conseguenza l'oggetto tracciabile. Se viene rilevata una rottura del contatto con la molecola della punta, interrompere la registrazione della traiettoria. Tornare al punto di contatto, avviare la registrazione della traiettoria alla formazione del contatto ed eseguire una manipolazione diversa.Ripetere questa sequenza fino a quando il sollevamento non sarà riuscito. Se il contatto tra la molecola e la punta rimane stabile per valori di Z maggiori di 10 angstrom, questa è l'indicazione di un sollevamento della molecola avvenuto con successo. Per assicurarsi che la molecola sia sulla punta, avvicinarsi nuovamente alla superficie.Un aumento regolare del delta-f durante l'avvicinamento, mentre la punta è ancora lontana dalla superficie, indica che la molecola è attaccata alla punta ed è orientata perpendicolarmente rispetto alla superficie. Dopo un sollevamento riuscito, spostare l'oggetto tracciabile verso l'alto per ritrarre ulteriormente la punta di 10-20 angstrom dalla superficie. Ciò riduce qualsiasi interazione della molecola sollevata con la superficie.Regolare l'altezza della punta deselezionando la casella di controllo Z e riportare la punta alle coordinate iniziali X, Y utilizzando il controllo manuale. Deselezionare la casella di controllo X o Y una volta che la rispettiva coordinata si avvicina a zero. Fare clic sul pulsante di pausa nel software della punta per fissare la posizione corrente della punta e disattivare il controllo manuale.Senza attivare il circuito di retroazione, selezionare l'offset X Y superiore e quindi fare clic sull'immagine corrispondente per posizionare la punta sopra la superficie pulita di argento 111, a una distanza di 50-100 angstrom dall'isola da cui è stata estratta la molecola. Impostare quindi il guadagno dell'amplificatore di corrente a 1 × 10⁹ volt per ampere. Deselezionare le caselle di controllo X e Y nel software della punta e fare clic sul pulsante di avvio.Spostare l'oggetto tracciabile in prossimit&agrave; della superficie finch&eacute; non appare una corrente misurabile. Fare clic sul pulsante di pausa nel software del puntale per disattivare il controllo manuale. Aumentare gradualmente la tensione di polarizzazione utilizzando un cursore controllato dal mouse nel software SPM fino a quando non si verifica un salto simultaneo della corrente e di delta-f, il che indica che la molecola &egrave; caduta sulla superficie.Scansionare l'area in modalità corrente costante e verificare se la molecola è effettivamente stata riposizionata sulla superficie. Infine, scansionare la zona da cui la molecola è stata estratta per esaminare la vacanza creata. Qui viene mostrato un esempio di nanostrutturazione di uno strato molecolare mediante manipolazione controllata a mano.La serie di immagini STM mostra la creazione sequenziale di 47 vacanze mediante la rimozione consecutiva di singole molecole di PTCDA da uno strato compatto. Questa animazione mostra 34 traiettorie di manipolazione che hanno portato con successo alla rimozione del PTCDA dal monostrato. Di seguito è riportata un'animazione delle traiettorie tridimensionali della punta che illustra l'affinamento e la riproducibilità delle traiettorie nella manipolazione controllata manualmente.La curva grigia rappresenta un riferimento iniziale ottenuto facendo la media delle traiettorie mostrate nell'animazione precedente. Le curve colorate sono sette tentativi di manipolazione seguiti alla traiettoria di riferimento, tutti falliti, e sette tentativi riusciti lungo una nuova traiettoria piegata. Il nostro metodo di manipolazione controllata a mano può essere facilmente applicato a nuove attività di manipolazione o a nuove molecole.Senza la necessità di ricorrere a simulazioni costose. Una volta acquisita, la manipolazione manuale può essere utilizzata per studiare singole molecole in configurazioni altrimenti inaccessibili. L'esecuzione di tali esperimenti potrebbe ampliare notevolmente la nostra comprensione dei processi fondamentali che avvengono in queste giunzioni metallo-molecola-metello.Quando si esegue una manipolazione manuale, l'operatore è soggetto a un processo di apprendimento. Successivamente intendiamo formalizzare tale apprendimento e, infine, trasferirlo a un computer.

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