Name: Mão Controlado Manipulação de solteiro moléculas através de um Scanning Probe Microscope com uma interface de realidade virtual 3D (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: Aprenda a manipulação manual de moléculas individuais usando microscopia de sonda de varredura com interface de realidade virtual 3D. Este método intuitivo permite refinar protocolos e estudar interações moleculares em nanotecnologia.

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Os autores não têm agradecimentos.

<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>

Os autores não têm nada a divulgar e nenhum interesse financeiro conflitante.

Como outros métodos baseados em SPM, as experiências de manipulação molecular descritos no presente documento também depender em certa medida, as propriedades de a ponta de SPM. A estrutura ápice ponta (que não pode ser totalmente controlada) determina a força da ligação tip-molécula. Daí a força do contacto tip-molécula pode variar consideravelmente e, portanto, às vezes pode ser muito baixa. Daí dentro do protocolo nos referimos a alguns testes básicos de procedimentos de qualidade de ponta e tratamento ponta. No enta...

O não-contato microscópio de baixa temperatura atomic force / varredura por tunelamento (LT NC-AFM / STM, na seguinte SPM simplesmente chamado) é a ferramenta de escolha para a manipulação atomicamente precisa de átomos ou moléculas individuais 1 - 3. manipulação baseada-SPM é normalmente limitada a duas dimensões e é composto de uma série de eventos de manipulação frequentemente bruscas e estocásticos (saltos). Isto limita essencialmente o controlo sobre o processo. Entrando em contato com a molécula em questão por uma única ligação química em uma posição atômica bem definida leva a uma abordagem que pode superar essas limitações 4 - 9. Ao longo da sua manipulação da molécula contactado está ligado à ponta SPM de modo que movendo a molécula em todas as três dimensões apropriadas por deslocamentos da ponta torna-se possível. Isto cria a possibilidade de vários procedimentos de manipulação complexa realizados no espaço 3D. No entanto, a manipulação de contacto pode ser oindered por interações da molécula manipulado com a superfície e / ou outras moléculas nas suas imediações, o que pode criar forças que são grandes o suficiente para romper o contato tip-molécula. Por conseguinte, uma trajectória 3D particular da ponta SPM pode ou não resultar em um evento de manipulação bem sucedida. A pergunta surge, assim, como definir os protocolos que levam a conclusão bem sucedida de manipulação nas circunstâncias quando o vínculo tip-molécula tem uma força limitada, enquanto que as interações da molécula manipulado com o seu ambiente não são a priori bem caracterizados. Aqui esta questão é abordada na imagináveis ​​maneira mais intuitiva. O experimentador é permitido controlar os deslocamentos da ponta SPM simplesmente movendo o seu lado 7. Isto é conseguido pelo acoplamento do SPM para um sistema de captura de movimento comercial, algumas das especificações das quais são fornecidos abaixo. A vantagem de &quot;manipulação controlada mão&quot; (HCM) está em tele a capacidade do experimentador para experimentar diferentes trajetórias de manipulação de forma rápida e aprender com o seu fracasso ou sucesso. A configuração CMH foi usado para efectuar um ensaio de prova de princípio em que uma palavra ( &quot;JÜLICH&quot;) foi estampado com uma camada fechada de moléculas de perileno-3,4,9,10-tetracarboxílico dianidrido (PTCDA) em Ag ( 111), a remoção de 48 moléculas, uma por uma, com HCM 7. Levantamento de uma molécula a partir das cliva superfície suas ligações de hidrogénio intermoleculares que se ligam às moléculas na monocamada 10. Tipicamente, a força total das presentes ligações intermoleculares excede a força da ligação química entre o átomo único mais externa da ponta e um átomo de oxigénio carboxílico de PTCDA através da qual a molécula é contactado (ver Figura 1). Isso pode levar à ruptura do contato tip-molécula e a seguinte falha da tentativa de manipulação. A tarefa do pesquisador é, assim, para determine uma trajectória ponta que rompe as ligações intermoleculares que resistem sequencialmente em vez de simultaneamente, de modo que a força total aplicada ao contacto da ponta-molécula nunca excede a sua força. Embora a trajectória desejada pode, em princípio, ser simulado, devido ao tamanho e complexidade do sistema envolvido as simulações necessárias levaria um proibitivamente grande quantidade de tempo. Em contraste com o que, usando o HCM, foi possível remover a primeira molécula após 40 minutos. Perto do final da experiência a extracção já teve muito menos tempo que confirma a eficácia do processo de aprendizagem. Além disso, a precisão e versatilidade do método CMH foi evidenciado no acto de manipulação inverso quando uma molécula extraída a partir do local vizinho foi usada para fechar o vazio deixado após a remoção errónea de uma outra molécula a partir da monocamada. abordagem de captura de movimento, sendo rápida e intuitiva, élimitada à geração de dados ponta-de trajetória. Para mais desenvolvimento sistemático de novos protocolos de manipulação molecular é igualmente importante para ser capaz de visualizar os dados ponta trajetória em tempo real, bem como para analisar os dados gerados anteriormente. Portanto, a funcionalidade da configuração do HCM é reforçada substancialmente pela adição de óculos de realidade virtual que permitem a experimentalista para ver os dados representados no cenário virtual em 3D, onde a trajetória da ponta é aumentada pela corrente (I) e desvio de frequência (Af) valores medidos pela SPM em tempo real 8 (ver abaixo). Além disso, a cena da realidade virtual mostra um modelo da molécula manipulado que serve como uma referência escala visual. Assim, a configuração do HCM complementada pela interface de realidade virtual é adequado para mapeamento sistemático do espaço manipulação trajetória e refinamento sucessivo dos protocolos de manipulação promissores. Além disso, o sistema também facilita a transferência de conhecimentos entre dexperimentos IFERENTES. Os parágrafos seguintes fornecem uma descrição da configuração e algumas das suas especificações que são relevantes para as experiências de manipulação. As experiências são realizadas em vácuo ultra-alto (UHV), a uma pressão de base de 1 x 10 -10 mbar com uma SPM comercial que consiste numa câmara de preparação e uma câmara de análise. A câmara de preparação está equipado com: Ar + fonte utilizado para pulverização de exemplo, a transferência de amostra via manipulador (permite aquecimento e arrefecimento de uma amostra), difração de baixa energia de elétrons (LEED), uma personalizado Knudsen celular (células K) contendo PTCDA pó purificado por sublimação. A câmara de análise está equipado com: LN 2 banho criostato com um volume de 12 L e um tempo de espera de 46 horas, LHe banho de criostato (5 L, 72 horas), Besocke 11 do tipo besouro SPM equipado com um sensor de diapasão 12 ( TFS) que consiste de um garfo de afinação de quartzo com uma ponta PtIr ligado electricamente (para a operação MCT), Que é cortada e aguçada por um feixe de iões focado (FIB) (Figura 2). <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" /> Figura 2. Ajuste sensor de garfo. (A) Imagem de um sensor de diapasão comercial com ponta PtIr anexado. (B) imagem SEM do ápice ponta PtIr cortado com FIB. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A AFM é operado no modo de frequência modulada (FM) 13 onde o TFS está animado com a ressonância (f 0 ≈ 31.080 Hz) com um piezo exaltação. O sinal piezoeléctrico do garfo oscilante é amplificado e utilizado por um circuito de bloqueio de fase (PLL), o qual mantém a amplitude de oscilação constante do TFS e controla as alterações de iTS frequência de ressonância, Af = F - F 0, que se origina a partir do gradiente da força que actua sobre a ponta. Como mostrado na Figura 3, a posição da ponta da SPM é controlado por tensão (U x, u y, z L) aplicado a um conjunto de x, y, z-piezos (constantes piezo a 5 K: x = 15, y = 16, z = 6 A / V). A u x, u y, u -voltages z (± 10 V com resolução de 20 bits) são gerados nas saídas de eletrônicos SPM. Eles são ainda mais amplificado por um amplificador de alta voltagem (HV) que tem uma tensão de saída máxima de ± 200 V. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" /> Figura 3. Esquema da configuração HCM. A posição (objeto rastreado) A que tem vários (infravermelho) fontes IR instalados em sua superfície é rastreado por duas câmeras de infravermelho do sistema de captura de movimento (MCS). TipControl assimftware obtém o TO coordenadas (x, y, z) de MCS e passa para a fonte de tensão remota (RVS), que gera um conjunto de tensões (v x, v y, v z) que são somados com as tensões (u x , u y, u z) produzidas pelo sistema eletrônico SPM para o controle da posição da ponta da SPM. A tensão adicionado passa através de um amplificador de alta voltagem (HV) e é ainda aplicada ao sistema de piezo-posicionamento da ponta do SPM. A configuração permite o controle manual do posicionamento dica quando o ciclo de feedback SPM (FB) é aberta. A posição (x, y, z) da ponta, bem como I (x, y, z) e Af (X, Y, Z) são passados ​​para o software VRinterface que traça-lo na cena virtual em 3D visto pelo operador vestindo o head-mounted display (HMD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A corrente de tunelamento que flui entre a ponta da SPM ea superfície é medido por um amplificador de transimpedância com um ganho variável que varia de 1 x outubro 3-1 x 10 9 V / A (largura de banda de ganho de 1 x 10 9 V / A é de 1 kHz). A saída do amplificador é alimentado no circuito fechado de realimentação de STM (FB) para regular a altura da ponta acima da superfície em modo de exploração corrente constante. A estabilidade da junção (com a oscilação TFS desligado) é 1-3 pm. O sinal de oscilação piezoeléctrico do TFS é amplificado em duas etapas: (1) pré-amplificador fixado à blindagem LN 2 (ganho de 1 x 10 8 V / A, de largura de banda de 20 kHz), e (2) amplificador de tensão externa com ganho variável de 1 1 x 10 a 5 x 10 4 e uma largura de banda de 1 MHz. Para experiências de HCM, a configuração SPM é estendido com: sistema de motion capture (MCS), fonte de tensão multicanal remotamente controláveis ​​(RVS), amplificador de soma e de cabeça realidade virtual montado display (HMD). Todos os dispositivos listados, exceto o summing amplificador foram adquiridos comercialmente. MSC é uma (IR) sistema infravermelho marcador de rastreamento que permite resolução milímetro de deslocamentos espaciais a uma taxa de 100 Hz. O sistema consiste em dois IR câmeras, um objeto rastreável (TO) e o software de controle. O software MCS obtém os x, y, z-coordenadas da TO no espaço 3D através da análise de suas imagens obtidas pelas duas câmaras. MCS fornece uma biblioteca de programação que permite o uso das coordenadas do TO em um programa de software separado. As coordenadas de a (x TO, y para, z TO) são passados para um programa de software customizado &quot;TipControl&quot;. A Figura 4 mostra uma captura de tela da interface gráfica do usuário. O software é ativado pelo botão &quot;Iniciar&quot; na janela. Após a ativação (τ = 0), o software define todas v x -, v y -, v z -voltages na RVS (faixa de tensão ± 10 V a 16resolução de bits, 50 de latência ms por degrau de tensão) de acordo com a seguinte expressão <img alt="equação 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" /> etc, em que C, X c Y, c Z são os factores que convertem a 5 cm do deslocamento de A em 1 de deslocamento A da ponta da SPM. O factores p x (t), P y (t), z p (t) têm valores definidos pelo estado do x, y, z-caixas na janela do software. Se a caixa estiver marcada, então o p correspondente (t) é definido como 1. Todos os p (t) são definidos como 0 no momento em que o botão &quot;pause&quot; é pressionado na janela do software. Isso permite ao operador temporariamente &quot;congelar&quot; a posição da ponta. Pressionando o botão &quot;reset all&quot; na janela do software define v x -, v y -, v z -voltages a zero que retorna a ponta para a posição inicial definida pelo software SPM. O campo de texto &quot;comando manual para RVS&quot; no ca janela de software<html> n ser usado para definir qualquer um dos v x -, v y -, v z -voltages para qualquer valor na faixa permitida de ± 10 V. O v x -, v y -, v z -voltages gerado pela RVS são adicionados ao u x -, u y -, u sinais de tensão -output z da eletrônica SPM através de um amplificador de soma (ganho 1, largura de banda de 50 kHz, intervalo de saída ± 10 V). <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" /> Figura 4. Captura de tela da janela de interface. Dois indicadores exibem o status da conexão com sistemas de MCS e RVs. Caixas de seleção são usados ​​para ativar a mão-de controle ao longo de eixos espaciais selecionados. O botão &quot;Start&quot; inicia fluxo de dados entre MCS, TipControl e RVS acordo com o esquema mostrado na Figura 3. Botão &quot;Pause&quot; para o fluxo de dados. Botão &quot;Reset All&quot; define todas as RVS tensões a zero.= &quot;Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Para visualização dos dados experimentais (trajetória dica, I, Af) é usado um head-mounted display (HMD). O HMD fornece uma visão estereoscópica (ecrã dividido HD - metade para cada olho, 1.920 x 1.080 pixels a 75 Hz). Uma câmera IR dedicada rastreia a posição e orientação do HMD no espaço 3D usando IR-LEDs fixos na superfície do HMD. O sistema de rastreamento HMD permite ao operador alterar a vista dentro da cena de realidade virtual 3D por uma volta da sua cabeça ou simplesmente movendo seu corpo. O software personalizado escrito &quot;VRinterface&quot; recolhe os dados tanto da SPM e MCS, o torna na cena 3D usando OpenGL e exibe no HMD com a ajuda do kit de desenvolvimento de software HMDs (SDK). VRinterface recupera o x- real, Y, Z coordenadas da ponta directamente a partir dosoftware da ponta (alguns latência milissegundo), enquanto sinais I e Af são lidos diretamente a partir dos resultados do electrónica SPM (latência ≈ 250 ms). A Figura 5 mostra uma imagem da cena virtual 3D como visto pelo operador vestindo HMD durante HCM. Dentro do cenário virtual em 3D o ápice da ponta é processado como uma esfera branca. A coloração das trajectórias ponta gravados reflecte os valores de ambos os log (I (x, y, z)) ou Af (x, y, z). Alternando entre log (I (x, y, z)) ou Af (x, y, z) modos de cor é feita pela imprensa de um botão. Outro botão inicia a gravação (e exibir) de dados ponta trajetória experimentais. Quando pressionado novamente o botão pára a gravação. A cena virtual também mostra uma molécula PTCDA estático que é utilizado como uma ajuda visual durante a manipulação. O operador alinha manualmente a sua orientação para ajustar a orientação da molécula real sobre a superfície utilizando as teclas de um teclado. Cuidado: Porque a cabeça ttrasfega do HMD depende de IR-LED, que pode interferir com o MCS, uma vez que também usa a luz de IV para controlar a posição dos organismos. Portanto, para tem que ter uma forma única reconhecido pelo MCS. Isso ajuda a MCS para discriminar entre os sinais que vêm de TO e aqueles provenientes de IR-LEDs de HMD. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" /> Figura 5. S creenshot da cena virtual 3D exibido para o operador em HMD durante HCM. Um conjunto de esferas brancas constitui um modelo Ag (111) de superfície. Orientação de superfície do modelo pode não coincidem necessariamente com a orientação da amostra. Um modelo da molécula PTCDA é colocado acima da superfície do modelo. C, O, átomos de H de PTCDA são mostrados em preto, vermelho e branco, respectivamente. Para efeitos de conveniência orientação azimutal da molécula modelo pode ser ajustado de acordo com a orientação da molécula verdadeira escolhidopara manipulação. A posição da ponta é marcada por uma única esfera branca que representa o átomo de ponta ápice mais externa. O tempo real I (x, y, z) e Af (x, y, z) os dados são apresentados como indicadores de barras colocados ao lado da ponta. Gravadas anteriormente, bem como as manipulações actualmente executadas são exibidas como trajectórias 3D cuja cor representa ou log (I (x, y, z)) ou (X, Y, Z) Af valores medidos nas posições da trajectória correspondente. A figura mostra trajetórias que são coloridas com log (, y, I (x z)) do sinal. O contraste de cores pode ser alternado entre log (I (x, y, z)) e Af (x, y, z) modos de pressionar de um botão. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

<table><tbody><tr><td>LN2</td><td></td><td></td><td>cuidado: líquido criogênico</td></tr><tr><td>LHe</td><td></td><td></td><td>cuidado: líquido criogênico</td></tr><tr><td>PTCDA</td><td></td><td></td><td>cuidado: substância irritante</td></tr><tr><td>Célula de Knudsen (célula K)</td><td></td><td></td> <td>personalizada</td></tr><tr><td>Especificações</td><td></td><td>ErLEED</td><td>usadas com fonte de alimentação ErLEED 1.000 A</td></tr><tr><td>combiente LT NC-AFM/STM</td><td>Sensor Createc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>qPlus</td><td>Pré-amplificador Createc</td><td></td><td>TFS</td></tr><tr><td></td><td>Amplificador Createc</td><td></td><td>para sinal de diapasão fixado ao escudo LN2 (estágio 1)</td></tr><tr><td>Pré-amplificador de tensão de baixo ruído</td><td>Amplificador externo Standford Research System</td><td>SR560</td><td>para sinal de diapasão (estágio 2)</td></tr><tr><td>Amplificador de corrente de baixo ruído de ganho variável</td><td>Femto</td><td>Amplificador DLPCA-200</td><td>para corrente de tunelamento</td></tr><tr><td>Bonita</td><td>Vicon</td><td>B10, SN: MXBN-0B10-3658</td><td>Câmera MCS IR</td></tr><tr><td>Dispositivo de interação Apex</td><td>Vicon</td><td>SN: AP0062</td> Varinha <td>de calibração MCS (TO)</td></tr><tr><td>Varinha de calibração MX</td><td>Vicon</td><td></td><td>MCS objeto de calibração</td></tr><tr><td>Rastreador</td><td>Software Vicon</td><td></td><td>MCS</td></tr><tr><td>Fornecimento</td> <td>de tensão da série BSamplificador de soma stahl-electronics</td><td>BS 1-4</td><td>RVS</td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td></td><td></td><td>personalizado, ganho 1, baseado no amplificador operacional TL072</td></tr><tr><td>Oculus Rrift Development Kit 2</td><td>Oculus VR</td><td></td><td>HMD</td></tr><tr><td>TipControl</td><td></td><td></td><td>software escrito sob medida</td></tr><tr><td>VRinterface</td><td></td><td></td><td>software escrito sob medida</td></tr></tbody></table>

mão controlado manipulação de solteiro moléculas através de um scanning probe microscope com uma interface de realidade virtual 3d

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

Considerando-se as moléculas orgânicas como os blocos de construção funcionais da tecnologia em nanoescala futuro, a questão de como organizar e montar esses blocos de construção em uma abordagem bottom-up ainda está aberta. O microscópio de varredura por sonda (SPM) pode ser uma ferramenta de escolha; No entanto, com base manipulação-SPM foi até recentemente limitada a duas dimensões (2D). A ligação da ponta SPM a uma molécula numa posição bem definida abre uma oportunidade de manipulação controlada no espaço 3D. Infelizmente, a manipulação 3D é em grande parte incompatível com o típico 2D-paradigma de visualização de dados e SPM geradora de um computador. Para manipulação intuitiva e eficiente que, portanto, casal de baixa temperatura sem contato atomic force / microscópio de tunelamento (LT NC-AFM / STM) a um sistema de captura de movimento e óculos de realidade virtual totalmente imersivos. Esta configuração permite a &quot;manipulação controlada mão&quot; (HCM), em que a extremidade SPM é movido de acordo com o movimento da mão do experimentador, wnquanto as trajectórias do bico, bem como a resposta da junção SPM são visualizados em 3D. CMH abre o caminho para o desenvolvimento de protocolos de manipulação complexa, o que pode conduzir a uma melhor compreensão fundamental das interacções entre as moléculas em nanoescala que actuam em superfícies. Aqui nós descrevemos a configuração e os passos necessários para alcançar a manipulação molecular controlado por mão de sucesso dentro do ambiente de realidade virtual.

Nota: Esta parte mostra o trabalho publicado em 7,8. Aplicando CMH para o problema de levantar PTCDA / Ag (111) para fora de uma camada, fomos capazes de escrever um padrão por remoção de moléculas individuais sequencialmente (Figura 9). No total, 48 moléculas foram removidas, 40 dos quais poderia ser depositada ao Ag limpo (111), que mostra que as moléculas permanecem intactos dura...

Demonstramos a manipulação precisa de moléculas orgânicas individuais em uma superfície metálica com a ponta de um microscópio de varredura acionado em 3D pela mão do experimentador usando um sistema de captura de movimento e óculos de realidade virtual totalmente imersivos.

Mão Controlado Manipulação de solteiro moléculas através de um Scanning Probe Microscope com uma interface de realidade virtual 3D

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

O objetivo geral da manipulação controlada por mão de moléculas individuais com o microscópio de sonda de varredura é a exploração sistemática e intuitiva de protocolos de manipulação em três dimensões. Este método amplia nossas capacidades no campo da nanotecnologia molecular. Por exemplo, possibilita refinar sistematicamente protocolos de manipulação para moléculas e estudar direções intermoleculares ou até fabricar estruturas supramoleculares complexas.A principal vantagem dessa técnica é sua natureza intuitiva. O pesquisador rompe com o molde da programação de trajetórias automáticas da ponta. E participa diretamente do processo de manipulação.Ampliar a manipulação de moléculas para a terceira dimensão e separar-se da superfície abre muitas oportunidades novas, mas, ao mesmo tempo, surge inevitavelmente a necessidade de controle de visualização 3D. Configure o microscópio de sonda de varredura em baixa temperatura acionado em 3D pela mão do pesquisador, utilizando um sistema de captura de movimento conforme descrito no protocolo textual. Também prepare uma amostra depositando PTCDA sobre prata um um um, conforme descrito no protocolo textual.Configure o microscópio de tunelamento por varredura ou STM no modo de corrente constante com os parâmetros que favorecem o contraste do LUMO para o PTCDA. Isso permite determinar a orientação molecular. No software do SPM, insira os parâmetros da varredura, incluindo a área a ser varrida, os valores de referência para o laço de realimentação e a velocidade de varredura.Clique no botão de início no software SPM para imaginar o PTCDA. Após identificar a área da superfície adequada para manipulação conforme descrito no protocolo textual, crie uma janela de visão geral e ajuste a área a ser escaneada e a velocidade de varredura. A fim de registrar um STM detalhado de uma pequena região.Em seguida, teste a capacidade da ponta de se ligar à molécula de PTCDA. Em seguida, prepare-se para registrar um espectro de corrente em função da distância, no qual a ponta é movida verticalmente em direção aos átomos de oxigênio carboxílicos do PTCDA por três a cinco angstrons. I como função de Z é registrado ajustando-se uma tensão de polarização constante e definindo uma rampa de altura da ponta para aproximar e retrair a ponta da superfície.Em seguida, clique no botão espectro único no software SPM e selecione uma posição na imagem STM mais recentemente registrada acima dos átomos de oxigênio carboxílico da molécula de PTCDA escolhida para manipulação, onde o espectro de corrente-distância deve ser registrado. Para verificar se a ponta está em boas condições, confirme que a curva registrada de corrente em função da distância exibe a formação de contato entre a ponta e a molécula na forma de um aumento acentuado da corrente.Normalmente, o contato é forte o suficiente para elevar de 0,5 a três angstroms por meio da retração vertical da ponta, após a qual a corrente cai abruptamente quando a ligação se rompe. Após reescanear a molécula de PTCDA selecionada para manipulação, posicione a ponta sobre o átomo de oxigênio carboxílico escolhido para a manipulação, selecionando o deslocamento definido X, Y superior e, em seguida, clicando na imagem respectiva. Utilize o ponto de contato correto, conforme verificado anteriormente.Ative o loop de travamento de fase e defina o modo de controle de amplitude. Ajuste a amplitude de oscilação ao menor valor possível, mas suficientemente alta para que a detecção de delta-F seja possível com condições de ruído aceitáveis e velocidade de detecção adequada. Abra o loop de realimentação e insira zero para o valor do integrador na janela de parâmetros do software de microscopia de força atômica.Em seguida, ajuste a polarização da junção para alguns milivolts na janela de parâmetros do software de MFP. Por fim, ajuste o ganho do amplificador de corrente para um vezes 10 à sétima potência volts por ampère na janela de valores de parâmetros do software de MFP. Coloque o display montado na cabeça ou HMD e, então, pegue o objeto rastreável.Se necessário, reposicione o HMD na cabeça do usuário enquanto executa os seguintes passos para visualizar a cena de realidade virtual ou o ambiente do laboratório, o teclado e o monitor do computador. O próximo passo é marcar o ponto de contato na cena virtual tridimensional. Esta referência ajuda a localizar facilmente o contato para tentativas subsequentes de manipulação usando manipulação controlada por mão, sem a necessidade de reiniciar a fonte de tensão multicanal remotamente controlável.Para tanto, ative o controle manual apenas ao longo do eixo z marcando a caixa de seleção correspondente no software da ponta, mantendo as caixas de seleção X e Y desmarcadas. Mova o objeto rastreável para baixo enquanto observa os sinais em tempo real de corrente e delta-f exibidos em verde e rosa na cena virtual. Pare de mover o objeto rastreável quando os sinais de corrente e delta-f apresentarem um salto acentuado simultâneo.A assinatura da formação de um contato. Inicie a gravação da trajetória na interface de realidade virtual clicando no botão correspondente e movendo o objeto rastreável para cima. Pare a gravação da trajetória na interface de realidade virtual clicando no botão correspondente assim que o contato entre a molécula e a ponta se romper.A assinatura é uma queda acentuada simultânea dos sinais de corrente e de delta-f. Clique no botão de pausa no software da ponta para desativar o controle manual. Ative o controle manual do movimento da ponta ao longo de todos os eixos espaciais marcando as caixas de seleção X, Y e Z no software e clicando no botão de início no software da ponta.Tente encontrar uma trajetória de levantamento bem-sucedida na qual a molécula em contato seja completamente destacada da superfície ao final da trajetória. Para isso, aproxime-se do ponto onde a âncora exibiu a formação do contato com a molécula da ponta, movendo o objeto rastreável enquanto acompanha o movimento da esfera que representa a posição atual da ponta na cena virtual. Assim que o contato for formado, comece a gravar uma nova trajetória na interface de realidade virtual.Puxe a molécula em uma direção adequada para elevação, movendo o objeto rastreável de forma correspondente. Se for detectada uma ruptura no contato com a molécula da ponta, interrompa o registro da trajetória. Retorne ao ponto de contato, inicie o registro da trajetória na formação do contato e execute uma manipulação diferente.Repita esta sequência até que o levantamento seja bem-sucedido. Se o contato da molécula com a ponta ainda estiver estável quando Z for maior que 10 angstroms, isso é um indicativo de que o levantamento da molécula foi bem-sucedido. Para garantir que a molécula está na ponta, aproxime-se da superfície novamente.Um aumento suave do delta-f ocorrendo durante a aproximação, enquanto a ponta ainda está distante da superfície, indica que a molécula está ligada à ponta e orientada perpendicularmente à superfície. Após um levantamento bem-sucedido, mova o objeto rastreável para cima, de modo a retrair a ponta em adicionais 10 a 20 angstrons da superfície. Isso reduz qualquer interação da molécula levantada com a superfície.Fixe a altura da ponta desmarcando a caixa de seleção Z e mova a ponta de volta às coordenadas iniciais de X e Y usando o controle manual. Desmarque a caixa de seleção X ou Y assim que a respectiva coordenada estiver próxima de zero. Clique no botão de pausa no software da ponta para fixar a posição atual da ponta e desativar o controle manual.Sem ligar o circuito de realimentação, selecione o deslocamento X Y superior definido e clique na imagem respectiva para posicionar a ponta sobre a superfície limpa de prata 111 a 50-100 angstrons de distância da ilha de onde a molécula foi extraída. Em seguida, ajuste o ganho do amplificador de corrente para um vezes 10 à nona potência volts por ampère. Desmarque as caixas de seleção X e Y no software da ponta e clique no botão iniciar.Mova o objeto rastreável em direção à superfície até que uma corrente mensurável apareça. Clique no botão de pausa no software da ponta para desativar o controle manual. Aumente gradualmente a tensão de polarização utilizando um controle deslizante acionado pelo mouse no software de microscopia de varredura por sonda (SPM) até que ocorra um salto simultâneo na corrente e no delta-f, o que indica que a molécula aderiu à superfície.Varra a área no modo de corrente constante e verifique se a molécula foi realmente depositada novamente sobre a superfície. Por fim, varra a região onde a molécula foi extraída para examinar a vacância criada. Aqui é mostrado um exemplo de nanoestruturação de uma camada molecular por manipulação controlada manualmente.A série de imagens de microscopia de tunelamento com varredura mostra a criação sequencial de 47 vacâncias pela remoção consecutiva de moléculas individuais de PTCDA de uma camada fechada. Esta animação mostra 34 trajetórias de manipulação que resultaram com sucesso na remoção de PTCDA da monocamada. Abaixo há uma animação das trajetórias tridimensionais da ponta, demonstrando o refinamento e a reprodutibilidade em comparação com a manipulação controlada manualmente.A curva cinza representa uma referência inicial obtida a partir da média das trajetórias mostradas na animação anterior. As curvas coloridas são sete tentativas de manipulação seguindo a trajetória de referência que foram todas malsucedidas, e sete tentativas bem-sucedidas ao longo de uma nova trajetória dobrada encontrada. Nosso método de manipulação controlada por mão pode ser facilmente aplicado a novas tarefas de manipulação ou a novas moléculas.Sem a necessidade de envolver simulações onerosas. Uma vez dominada, a manipulação manual pode ser utilizada para estudar moléculas individuais em configurações que de outra forma seriam inacessíveis. A realização de tais experimentos pode ampliar consideravelmente nossa compreensão dos processos fundamentais que ocorrem nessas junções metal-molécula-metal.Ao realizar manipulações controladas manualmente, o pesquisador está sujeito a um processo de aprendizado. Posteriormente, pretendemos formalizar esse aprendizado e, finalmente, delegá-lo a um computador.

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Engenharia

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