2016년 10월 2일
모션 캡처 시스템과 완전히 몰입할 수 있는 가상 현실 고글을 사용하여 실험자의 손에 의해 3D로 구동되는 스캐닝 프로브 현미경의 끝으로 금속 표면의 개별 유기 분자를 정밀하게 조작하는 것을 시연합니다.
스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 개별 분자를 손으로 제어하여 조작하는 전반적인 목표는 조작 프로토콜을 3차원으로 체계적이고 직관적으로 탐색하는 것입니다. 이 방법은 분자 나노 기술 분야에서 우리의 역량을 확장합니다. 예를 들어, 분자에 대한 조작 프로토콜을 체계적으로 개선하고 분자 간 방향을 연구하거나 복잡한 초분자 구조를 제조할 수 있습니다.
이 기술의 가장 큰 장점은 직관적인 특성입니다. 실험자는 자동으로 실행되는 팁 궤적을 프로그래밍하는 틀을 깨뜨립니다. 그리고 조작 과정에 직접 참여합니다.
분자 조작을 3차원으로 확장하고 표면에서 분리하면 많은 새로운 기회가 열리지만, 동시에 3D 시각화 제어에 대한 요구 사항이 불가피하게 대두됩니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 모션 캡처 시스템을 사용하여 실험자의 손에 의해 3D로 구동되는 저온 스캐닝 프로브 현미경을 설정합니다. 또한 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 PTCDA를 silver one one one에 증착하여 샘플을 준비합니다.
PTCDA에 대한 LUMO 대비를 용이하게 하는 매개변수를 사용하여 주사 터널링 현미경 또는 STM을 정전류 모드로 설정합니다. 이를 통해 분자 방향을 결정할 수 있습니다. SPM 소프트웨어에서 스캔할 영역, 피드백 루프에 대한 설정점 및 스캔 속도를 포함하여 스캔에 대한 매개변수를 입력합니다.
SPM 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭하여 PTCDA를 이미지화합니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 조작에 적합한 표면적을 찾은 후 개요 창을 만들고 스캔할 영역과 스캔 속도를 조정합니다. 작은 지역의 자세한 STM을 기록하기 위해.
다음으로, 팁이 PTCDA 분자에 결합하는 능력을 테스트합니다. 그런 다음 팁이 PTCDA의 카르복실산 산소 원자를 향해 3-5 옹스트롬만큼 수직으로 이동하는 전류 거리 스펙트럼을 기록할 준비를 합니다. Z의 함수로서의 I는 일정한 바이어스 전압을 설정하고 팁이 표면에서 접근하고 후퇴하도록 팁 높이의 램프를 정의하여 기록됩니다.
그런 다음 SPM 소프트웨어에서 단일 스펙트럼 버튼을 클릭하고 조작을 위해 선택한 PTCDA 분자의 카르복실산 산소 원자 위에 가장 최근에 기록된 STM 이미지의 위치를 선택합니다. 현재 거리 스펙트럼을 기록해야 하는 위치입니다. 팁이 적절한 상태인지 확인하려면 기록된 전류 거리 곡선이 전류의 급격한 증가 형태로 팁과 분자 사이의 접촉 형성을 나타내는지 확인하십시오.
일반적으로 접촉은 수직 팁 후퇴를 통해 들어 올리는 0.5-3 옹스트롬만큼 충분히 강하며, 그 후 결합이 파열 될 때 전류가 갑자기 떨어집니다. 조작을 위해 선택한 PTCDA 분자를 다시 스캔한 후 X, Y 오프셋 상단을 선택한 다음 해당 이미지를 클릭하여 조작을 위해 선택한 카르복실산 산소 원자 위에 팁을 놓습니다. 앞에서 확인한 대로 올바른 접점을 사용하십시오.
위상 고정 루프를 활성화하고 진폭 제어 모드를 설정합니다. 진동 진폭을 가능한 한 낮게 설정하되 허용 가능한 노이즈 조건과 감지 속도로 델타-F 감지가 가능할 만큼 충분히 높게 설정합니다. 피드백 루프를 열고 SPM 소프트웨어 파라미터 창에서 적분기 값으로 0을 입력합니다.
그런 다음 SPM 소프트웨어 매개변수 창에서 접합 바이어스를 몇 밀리볼트로 설정합니다. 마지막으로 SPM 소프트웨어 값 매개변수 창에서 전류 증폭기 이득을 10의 10배로 암페어당 7볼트로 설정합니다. 헤드 마운트 디스플레이 또는 HMD를 착용한 다음 추적 가능한 물체를 가져옵니다.
필요한 경우 다음 단계를 수행하면서 HMD를 사용자의 머리에 다시 배치하여 가상 현실 장면 또는 랩 환경, 키보드 및 컴퓨터 모니터를 확인합니다. 다음 단계는 3D 가상 장면에서 접점을 표시하는 것입니다. 이 앵커는 원격으로 제어 가능한 다중 채널 전압 소스를 재설정할 필요 없이 수동 제어 조작을 사용하여 추가 조작 시도를 위해 접점을 쉽게 찾는 데 도움이 됩니다.
이렇게 하려면 X 및 Y 확인란은 선택하지 않은 상태로 유지하면서 팁 소프트웨어에서 해당 확인란을 선택해야만 Z축을 따라 핸드 컨트롤을 활성화합니다. 가상 장면에서 녹색과 분홍색으로 표시되는 전류 및 델타 F 실시간 신호를 보면서 추적 가능한 물체를 아래로 이동합니다. 전류 신호와 델타-f 신호가 동시에 급격한 점프를 보이면 추적 가능한 물체의 이동을 중지하십시오.
컨택 형성의 서명입니다. VR 인터페이스에서 해당 버튼을 클릭하고 추적 가능한 개체를 위로 이동하여 궤적 기록을 시작합니다. 분자와 팁 사이의 접촉이 파열되는 즉시 해당 버튼을 클릭하여 VR 인터페이스에서 궤적 기록을 중지합니다.
서명은 전류 및 delta-f 신호의 동시 급격한 강하입니다. 팁 소프트웨어에서 일시 중지 버튼을 클릭하여 핸드 컨트롤을 비활성화합니다. 소프트웨어에서 X, Y 및 Z 확인란을 선택하고 팁 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭하여 모든 공간 축을 따라 팁 이동의 핸드 제어를 활성화합니다.
접촉된 분자가 궤적의 끝에서 표면에서 완전히 분리되는 성공적인 리프팅 궤적을 찾으십시오. 이렇게 하려면 가상 장면에서 현재 팁 위치를 나타내는 구의 움직임을 따라가면서 추적 가능한 물체를 움직여 앵커가 팁 분자 접촉을 형성한 지점에 접근합니다. 접촉이 형성되는 즉시 VR 인터페이스에서 새 궤적 기록을 시작합니다.
추적 가능한 물체를 적절하게 움직여 들어 올리기에 적합한 방향으로 분자를 당깁니다. 팁 분자 접촉의 파열이 감지되면 궤적 기록을 중지합니다. 컨택 포인트로 돌아가서 컨택 형성에 대한 궤적 기록을 시작하고 다른 조작을 실행합니다.
리프팅이 성공할 때까지 이 순서를 반복합니다. 팁 분자 접촉이 Z가 10옹스트롬보다 클 때 여전히 안정적이면 이는 분자의 성공적인 리프팅을 위한 시그니처입니다. 분자가 끝에 있는지 확인하려면 표면에 다시 접근하십시오.
팁이 여전히 표면에서 멀리 떨어져 있는 동안 접근 중에 발생하는 delta-f의 부드러운 증가는 분자가 팁에 부착되어 표면에 수직으로 배향되어 있음을 나타냅니다. 성공적으로 들어올린 후 추적 가능한 물체를 위로 움직여 팁을 표면에서 10-20옹스트롬 더 후퇴시킵니다. 이것은 들어 올려진 분자와 표면의 상호 작용을 줄입니다.
Z 확인란의 선택을 취소하여 팁 높이를 수정하고 핸드 컨트롤을 사용하여 팁을 초기 X, Y 좌표로 다시 이동합니다. X 또는 Y 확인란의 선택을 취소하면 해당 좌표가 0에 가까워집니다. 팁 소프트웨어에서 일시 중지 버튼을 클릭하여 현재 팁 위치를 수정하고 핸드 컨트롤을 비활성화합니다.
피드백 루프를 켜지 않고 X Y 오프셋 상단 설정을 선택한 다음 해당 이미지를 클릭하여 분자가 추출된 섬에서 50-100옹스트롬 떨어진 깨끗한 은색 표면 위에 팁을 배치합니다. 그런 다음 전류 증폭기 게인을 10의 10배로 암페어당 9번째 볼트로 설정합니다. 팁 소프트웨어에서 X 및 Y 확인란의 선택을 취소하고 시작 버튼을 클릭합니다.
측정 가능한 전류가 나타날 때까지 추적 가능한 물체를 움직여 표면에 접근합니다. 팁 소프트웨어에서 일시 중지 버튼을 클릭하여 핸드 컨트롤을 비활성화합니다. 단계적으로 SPM 소프트웨어에서 마우스 제어 슬라이더를 사용하여 분자가 표면으로 떨어졌음을 나타내는 전류와 delta-f가 동시에 증가할 때까지 바이어스 전압을 높입니다.
정전류 모드에서 영역을 스캔하고 분자가 실제로 표면에 다시 증착되었는지 확인합니다. 마지막으로, 분자가 추출된 영역의 영역을 스캔하여 생성된 공석을 검사합니다. 여기에 표시된 것은 손으로 제어되는 조작에 의한 분자 층의 나노 구조화에 대한 예입니다.
일련의 STM 이미지는 닫힌 층에서 개별 PTCDA 분자를 연속적으로 제거하여 47개의 공석을 순차적으로 생성하는 것을 보여줍니다. 이 애니메이션은 34개의 조작 궤적을 보여주며, 모두 모노 레이어에서 PTCDA를 성공적으로 제거했습니다. 다음은 궤적 미세 조정과 재현 가능성이 손으로 제어되는 조작을 보여주는 3D 팁 궤적의 애니메이션입니다.
회색 곡선은 이전 애니메이션에 표시된 궤적의 평균을 구하여 얻은 초기 참조를 나타냅니다. 컬러 곡선은 모두 실패한 참조 궤적을 따라 7번의 조작 시도와 새로 발견된 꼬인 궤적을 따라 7번의 성공적인 시도입니다. 우리의 손으로 제어되는 조작 방법은 새로운 조작 작업이나 새로운 분자에 쉽게 적용할 수 있습니다.
비용이 많이 드는 시뮬레이션을 포함할 필요가 없습니다. 일단 마스터되면, 손으로 제어되는 조작을 사용하여 다른 방법으로는 접근할 수 없는 구성의 단일 분자를 연구할 수 있습니다. 이러한 실험을 수행하면 이러한 금속 분자 금속 접합에서 발생하는 기본 과정에 대한 이해를 상당히 넓힐 수 있습니다.
손으로 조종하는 조작을 할 때, 실험자는 학습 과정을 겪게 된다. 나중에 우리는 그 학습을 공식화하고 최종적으로 컴퓨터에 위임할 계획입니다.
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이 연구는 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 금속 표면에서 개별 유기 분자의 수동 조작을 시연합니다. 모션 캡처 시스템과 몰입형 가상 현실 고글을 사용하여 연구자들은 직관적으로 3차원에서 조작 프로토콜을 탐색할 수 있습니다.
Hand-controlled molecular manipulation via scanning probe microscopy enables intuitive, three-dimensional exploration of nanoscale interactions, supporting early-stage target validation and mechanistic de-risking in molecular nanotechnology. This approach reduces reliance on pre-programmed trajectories, allowing direct experimental engagement that accelerates hypothesis testing and pathway clarification for single-molecule systems. The method enhances predictive confidence in molecular behavior, informing go/no-go decisions in discovery pipelines focused on novel functional materials or biomolecular assemblies.
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven manipulation of single molecules, supporting lead identification through systematic exploration of binding geometries and interaction strengths.