Hand Gecontroleerde Manipulatie van enkele moleculen via een Scanning Probe Microscope met een 3D Virtual Reality Interface

Het algemene doel van handgestuurde manipulatie van individuele moleculen met de scanning probe microscoop is de systematische en intuïtieve verkenning van manipulatieprotocollen in drie dimensies. Deze methode breidt onze mogelijkheden uit op het gebied van moleculaire nanotechnologie. Bijvoorbeeld, het mogelijk maken om manipulatieprotocollen voor moleculen systematisch te verfijnen en intermoleculaire richtingen te bestuderen of zelfs om complexe supermoleculaire structuren te vervaardigen.

Het grootste voordeel van deze techniek is de intuïtieve aard ervan. De experimentator breekt met de mal van automatisch uitgevoerde tip-trajecten en raakt direct betrokken bij het manipulatieproces.

Het uitbreiden van molecuulmanipulatie naar de derde dimensie en loskoppelen van het oppervlak opent vele nieuwe mogelijkheden, maar tegelijkertijd ontstaat onvermijdelijk de vereiste voor 3D visualisatiecontrole. Stel de lage temperatuur scanning probe microscoop in die in 3D wordt aangestuurd door de hand van de experimentator, met behulp van een motion capture systeem zoals beschreven in het tekstprotocol. Bereid ook een monster voor door PTCDA op zilver één één één te deponeren, zoals beschreven in het tekstprotocol.

Stel de scanning tunneling microscoop of STM in op constante stroommodus met de parameters die LUMO-contrast voor PTCDA mogelijk maken. Dit maakt het mogelijk om de moleculaire oriëntatie te bepalen. Voer in de SPM-software de parameters in voor de scan, inclusief het te scannen gebied, setpunten voor de feedbacklus en de scansnelheid.

Klik op de startknop in de SPM-software om de PTCDA af te beelden. Nadat het oppervlak dat geschikt is voor manipulatie is gevonden, zoals beschreven in het tekstprotocol, maak een overzichtsvenster en pas het te scannen gebied en de scansnelheid aan. Om een gedetailleerd STM van een klein gebied op te nemen.

Test vervolgens het vermogen van de tip om zich te binden aan het PTCDA-molecuul. Bereid vervolgens voor om een stroomafstandspectrum op te nemen waarin de tip verticaal naar de carboxylzuurstofatomen van PTCDA wordt bewogen met drie tot vijf angstroms. I als functie van Z wordt geregistreerd door een constante biasspanning in te stellen en een helling van de tiphoogte te definiëren om de tip te naderen en terug te trekken van het oppervlak.

Klik vervolgens op de knop enkel spectrum in de SPM-software en selecteer een positie op de meest recent opgenomen STM-afbeelding boven de carboxylzuurstofatomen van het PTCDA-molecuul dat voor manipulatie is geselecteerd. Waar het stroomafstandspectrum moet worden opgenomen. Om te controleren of de tip in de juiste staat verkeert, controleer of de opgenomen stroomafstandscurve contactvorming tussen de tip en het molecuul vertoont in de vorm van een scherpe stijging van de stroom.

Typisch is het contact sterk genoeg voor 0,5 tot drie angstroms heffen door verticaal tipretractie waarna de stroom abrupt daalt wanneer de binding breekt. Na het opnieuw scannen van het PTCDA-molecuul dat voor manipulatie is geselecteerd, plaats de tip boven het carboxylzuurstofatoom dat voor de manipulatie is gekozen door set X, Y offset top te selecteren en vervolgens in de respectieve afbeelding te klikken. Gebruik het juiste contactpunt zoals eerder geverifieerd.

Activeer de fase-locked loop en stel de amplituderegelmodus in. Stel de oscillatieamplitude zo laag mogelijk in, maar hoog genoeg zodat delta-F detectie mogelijk is met acceptabele ruisomstandigheden en detectiesnelheid. Open de feedbacklus en voer nul in voor de integratorwaarde in het SPM-softwareparametervenster.

Stel vervolgens de junctionbias in op een paar millivolt in het SPM-softwareparametervenster. Stel tenslotte de stroomversterkerversterking in op één keer 10 tot de 7e volt per ampère in het SPM-softwarewaardenparametervenster. Zet de head-mounted display of HMD op en neem het trackbare object.

Indien nodig, herpositioneer de HMD op het hoofd van de gebruiker tijdens het uitvoeren van de volgende stappen om ofwel de virtuele realiteitsscène of de lab-omgeving, toetsenbord en computermonitor te bekijken. De volgende stap is het markeren van het contactpunt in de 3D virtuele scène. Deze anker helpt om het contact gemakkelijk te vinden voor verdere manipulatiepogingen met handgestuurde manipulatie zonder de noodzaak om de op afstand bestuurbare multikanaalsspanningsbron opnieuw in te stellen.

Om dit te doen, activeer de handbediening alleen langs de z-as door het bijbehorende selectievakje in de tipsoftware aan te vinken, terwijl de X en Y selectievakjes niet worden aangevinkt. Beweeg het trackbare object naar beneden terwijl u de stroom en delta-f realtime signalen in groen en roze in de virtuele scène bekijkt. Stop met het bewegen van het trackbare object wanneer de stroom- en delta-f signalen een gelijktijdige scherpe sprong vertonen.

De signatuur van een contactvorming. Start de trajectrecord in de VR-interface door op de bijbehorende knop te klikken en het trackbare object omhoog te bewegen. Stop de trajectrecord in de VR-interface door op de bijbehorende knop te klikken zodra het contact tussen het molecuul en de tip breekt.

De signatuur is een gelijktijdige scherpe daling van de stroom- en delta-f signalen. Klik op de pauzeknop in de tipsoftware om handbediening te deactiveren. Activeer de handbediening van de tipbeweging langs alle ruimtelijke assen door de X, Y en Z selectievakjes in de software aan te vinken en op de startknop in de tipsoftware te klikken.

Probeer een succesvolle heftraject te vinden waarbij het gecontacteerde molecuul aan het einde van de traject volledig loskomt van het oppervlak. Om dit te doen, benader het punt waar het ankervorming van het tip-molecuulcontact vertoonde door het trackbare object te verplaatsen terwijl u de beweging van de bol volgt die de huidige tippositie in de virtuele scène vertegenwoordigt. Zodra het contact is gevormd, begin met het opnemen van een nieuwe traject in de VR-interface.

Trek het molecuul in een richting die geschikt is voor heffen door het trackbare object dienovereenkomstig te verplaatsen. Als er een breuk van het tip-molecuulcontact wordt gedetecteerd, stop met het opnemen van de traject. Keer terug naar het contactpunt, start trajectopname bij contactvorming en voer een andere manipulatie uit.

Herhaal deze sequentie to