Ręcznie sterowana manipulacja pojedynczymi cząsteczkami za pomocą mikroskopu z sondą skanującą z interfejsem 3D Virtual Reality

Ogólnym celem ręcznie sterowanej manipulacji pojedynczymi cząsteczkami za pomocą mikroskopu z sondą skanującą jest systematyczna i intuicyjna eksploracja protokołów manipulacji w trzech wymiarach. Metoda ta poszerza nasze możliwości w zakresie nanotechnologii molekularnej. Na przykład umożliwia nam systematyczne udoskonalanie protokołów manipulacji cząsteczkami i badanie kierunków międzycząsteczkowych, a nawet wytwarzanie złożonych struktur supermolekularnych.

Główną zaletą tej techniki jest jej intuicyjny charakter. Eksperymentator przełamuje schemat programowania automatycznie wykonywanych trajektorii końcówek. I angażuje się bezpośrednio w proces manipulacji.

Rozszerzenie manipulacji molekułami na trzeci wymiar i oderwanie się od powierzchni otwiera wiele nowych możliwości, ale jednocześnie nieuchronnie pojawia się wymóg kontroli wizualizacji 3D. Ustaw niskotemperaturowy mikroskop z sondą skaningową sterowany w 3D ręką eksperymentatora, korzystając z systemu przechwytywania ruchu, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Przygotuj również próbkę, osadzając PTCDA na srebrze jeden jeden, zgodnie z opisem w protokole tekstowym.

Ustaw skaningowy mikroskop tunelowy lub STM w trybie prądu stałego z parametrami ułatwiającymi kontrast LUMO dla PTCDA. Pozwala to określić orientację molekularną. W oprogramowaniu SPM wprowadź parametry skanowania, w tym obszar do skanowania, nastawy pętli sprzężenia zwrotnego oraz prędkość skanowania.

Kliknij przycisk Start w oprogramowaniu SPM, aby zobrazować PTCDA. Po znalezieniu obszaru powierzchni odpowiedniego do manipulacji zgodnie z opisem w protokole tekstowym, utwórz okno przeglądu i dostosuj obszar do skanowania oraz prędkość skanowania. W celu nagrania szczegółowego STM małego regionu.

Następnie przetestuj zdolność końcówki do wiązania się z cząsteczką PTCDA. Następnie przygotuj się do nagrania aktualnego widma odległości, w którym końcówka jest przesuwana pionowo w kierunku karboksylowych atomów tlenu PTCDA o trzy do pięciu angstremów. I jako funkcja Z jest rejestrowana poprzez ustawienie stałego napięcia polaryzacji i zdefiniowanie rampy wysokości końcówki w celu zbliżenia i wycofania końcówki z powierzchni.

Następnie kliknij przycisk pojedyncze widmo w oprogramowaniu SPM i wybierz pozycję na ostatnio zarejestrowanym obrazie STM nad karboksylowymi atomami tlenu cząsteczki PTCDA wybranej do manipulacji. Gdzie powinno być rejestrowane aktualne widmo odległości. Aby sprawdzić, czy końcówka jest w odpowiednim stanie, sprawdź, czy zarejestrowana krzywa odległości prądu wykazuje tworzenie się kontaktu między końcówką a cząsteczką w postaci gwałtownego wzrostu prądu.

Zazwyczaj kontakt jest wystarczająco silny, aby podnieść od 0,5 do trzech angstremów poprzez pionowe zwijanie końcówki, po czym prąd gwałtownie spada, gdy wiązanie pęka. Po ponownym zeskanowaniu cząsteczki PTCDA wybranej do manipulacji, umieść końcówkę nad karboksylowym atomem tlenu wybranym do manipulacji, wybierając zestaw X, Y przesunięcie u góry, a następnie klikając odpowiedni obraz. Użyj właściwego punktu kontaktowego, który został zweryfikowany wcześniej.

Aktywuj pętlę sprzężenia fazowego i ustaw tryb regulacji amplitudy. Ustaw amplitudę oscylacji tak niską, jak to możliwe, ale na tyle wysoką, aby możliwe było wykrywanie delta-F przy akceptowalnych warunkach hałasu i prędkości wykrywania. Otwórz pętlę sprzężenia zwrotnego i wprowadź zero dla wartości integratora w oknie parametrów oprogramowania SPM.

Następnie ustaw odchylenie złącza na kilka miliwoltów w oknie parametrów oprogramowania SPM. Na koniec ustaw wzmocnienie wzmacniacza prądowego na jeden razy 10 do 7 woltów na amper w oknie parametrów wartości oprogramowania SPM. Załóż wyświetlacz montowany na głowie lub gogle HMD, a następnie weź obiekt, który można śledzić.

W razie potrzeby umieść gogle na głowie użytkownika, wykonując następujące czynności, aby wyświetlić scenę rzeczywistości wirtualnej lub środowisko laboratoryjne, klawiaturę i monitor komputerowy. Kolejnym krokiem jest zaznaczenie punktu kontaktowego w wirtualnej scenie 3D. Kotwica ta pomaga łatwo znaleźć kontakt do dalszych prób manipulacji za pomocą manipulacji sterowanej ręcznie bez konieczności resetowania zdalnie sterowanego wielokanałowego źródła napięcia.

W tym celu należy aktywować pilot wzdłuż osi Z, zaznaczając odpowiednie pole wyboru w oprogramowaniu końcówki, pozostawiając niezaznaczone pola wyboru X i Y. Przesuń śledzony obiekt w dół, obserwując bieżące sygnały w czasie rzeczywistym i delta-f wyświetlane na zielono i różowo w wirtualnej scenie. Zatrzymaj przesuwanie śledzonego obiektu, gdy sygnały prądu i delta-f pokazują jednocześnie ostry skok.

Sygnatura formacji kontaktowej. Rozpocznij nagrywanie trajektorii w interfejsie VR, klikając odpowiedni przycisk i przesuwając śledzony obiekt w górę. Zatrzymaj rejestrację trajektorii w interfejsie VR, klikając odpowiedni przycisk, gdy tylko dojdzie do zerwania kontaktu między cząsteczką a końcówką.

Sygnatura to jednoczesny gwałtowny spadek prądu i sygnałów delta-f. Kliknij przycisk pauzy w oprogramowaniu końcówki, aby wyłączyć sterowanie ręczne. Aktywuj ręczne sterowanie ruchem końcówki wzdłuż wszystkich osi przestrzennych, zaznaczając pola wyboru X, Y i Z w oprogramowaniu i klikając przycisk start w oprogramowaniu końcówki.

Spróbuj znaleźć udaną trajektorię podnoszenia, w której cząsteczka, z którą się styka, jest całkowicie oderwana od powierzchni na końcu trajektorii. Aby to zrobić, zbliż się do punktu, w którym kotwica wykazywała formowanie się kontaktu cząsteczki końcówki, przesuwając śledzony obiekt, jednocześnie śledząc ruch kuli reprezentującej aktualną pozycję końcówki w wirtualnej scenie. Jak tylko kontakt zostanie utworzony, rozpocznij nagrywanie nowej trajektorii w interfejsie VR.

Pociągnij cząsteczkę w kierunku odpowiednim do podnoszenia, odpowiednio przesuwając śledzony obiekt. Jeśli zostanie wykryte pęknięcie kontaktu cząsteczki końcówki, przerwij rejestrowanie trajektorii. Wróć do punktu kontaktowego, rozpocznij rejestrację trajektorii podczas formowania kontaktu i wykonaj inną manipulację.

Powtarzaj tę sekwencję, aż podnoszenie zakończy się sukcesem. Jeśli kontakt cząsteczki końcówki jest nadal stabilny przy Z jest większy niż 10 angstremów, jest to sygnatura pomyślnego podnoszenia cząsteczki. Aby upewnić się, że cząsteczka znajduje się na końcówce, ponownie zbliż się do powierzchni.

Płynny wzrost delta-f występujący podczas zbliżania się, gdy końcówka jest jeszcze daleko od powierzchni, wskazuje, że cząsteczka jest przyczepiona do końcówki i zorientowana prostopadle do powierzchni. Po udanym podniesieniu przesuń śledzony obiekt w górę, aby cofnąć końcówkę o dodatkowe 10 do 20 angstremów od powierzchni. Zmniejsza to wszelkie oddziaływanie podnoszonej cząsteczki z powierzchnią.

Napraw wysokość końcówki, odznaczając pole wyboru Z i przesuń końcówkę z powrotem do początkowych współrzędnych X, Y za pomocą pilota. Usuń zaznaczenie pola wyboru X lub Y, gdy odpowiednia współrzędna zbliży się do zera. Kliknij przycisk pauzy w oprogramowaniu końcówki, aby ustalić aktualną pozycję końcówki i wyłączyć sterowanie ręczne.

Nie włączając pętli sprzężenia zwrotnego, wybierz ustaw przesunięcie X, Y, a następnie kliknij odpowiedni obraz, aby umieścić końcówkę nad czystym srebrem, jeden jeden powierzchnia, w odległości od 50 do 100 angstremów od wyspy, z której wyekstrahowano cząsteczkę. Następnie ustaw wzmocnienie wzmacniacza prądu na jeden razy 10 do 9 woltów na amper. Odznacz pola wyboru X i Y w oprogramowaniu końcówki i kliknij przycisk Start.

Przesuwaj śledzony obiekt, aby zbliżyć się do powierzchni, aż pojawi się mierzalny prąd. Kliknij przycisk pauzy w oprogramowaniu końcówki, aby wyłączyć sterowanie ręczne. Krok po kroku zwiększaj napięcie polaryzacji za pomocą suwaka sterowanego myszą w oprogramowaniu SPM, aż nastąpi jednoczesny skok prądu i delta-f, co wskazuje, że cząsteczka spadła na powierzchnię.

Zeskanuj obszar w trybie prądu stałego i sprawdź, czy cząsteczka rzeczywiście została osadzona z powrotem na powierzchni. Na koniec zeskanuj obszar w regionie, w którym cząsteczka została wyekstrahowana, aby zbadać utworzony wakat. Pokazany tutaj jest przykład nanostrukturyzacji warstwy molekularnej za pomocą ręcznie kontrolowanej manipulacji.

Seria obrazów STM pokazuje sekwencyjne tworzenie 47 wakatów poprzez sekwencyjne usuwanie pojedynczych cząsteczek PTCDA z zamkniętej warstwy. Ta animacja pokazuje 34 trajektorie manipulacji, które doprowadziły do pomyślnego usunięcia PTCDA z warstwy mono. Oto animacja trajektorii końcówek 3D, pokazująca wyrafinowanie trajektorii i powtarzalność podczas ręcznej manipulacji.

Szara krzywa reprezentuje początkowe odniesienie uzyskane przez uśrednienie trajektorii pokazanych na poprzedniej animacji. Kolorowe krzywe to siedem prób manipulacji podążających trajektorią odniesienia, z których wszystkie zakończyły się niepowodzeniem, oraz siedem udanych prób wzdłuż nowo odkrytej załamanej trajektorii. Nasza metoda ręcznej manipulacji może być łatwo zastosowana do nowych zadań manipulacyjnych lub do nowych cząsteczek.

Bez konieczności angażowania się w kosztowne symulacje. Po opanowaniu, ręcznie sterowana manipulacja może być wykorzystana do badania pojedynczych cząsteczek w konfiguracjach, które są niedostępne w inny sposób. Przeprowadzenie takich eksperymentów może znacznie poszerzyć naszą wiedzę na temat podstawowych procesów zachodzących w takich połączeniach metalowych cząsteczek metali.

Wykonując manipulację sterowaną ręką, eksperymentator podlega procesowi uczenia się. Później zamierzamy sformalizować tę naukę i w końcu oddelegować ją do komputera.