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

O objetivo geral da manipulação manual de moléculas individuais com o microscópio de varredura por sonda é a exploração sistemática e intuitiva de protocolos de manipulação em três dimensões. Este método expande nossas capacidades no campo da nanotecnologia molecular. Por exemplo, permitindo-nos refinar sistematicamente protocolos de manipulação de moléculas e estudar direções intermoleculares ou mesmo fabricar estruturas supermoleculares complexas.

A principal vantagem desta técnica é sua natureza intuitiva. O experimentador quebra o molde de programar trajetórias de ponta executadas automaticamente. E se envolve diretamente no processo de manipulação.

Estender a manipulação de moléculas para a terceira dimensão e se separar da superfície abre muitas novas oportunidades, mas, ao mesmo tempo, surge inevitavelmente a necessidade de controle de visualização 3D. Configure o microscópio de varredura de baixa temperatura acionado em 3D pela mão do experimentador, usando um sistema de captura de movimento conforme descrito no protocolo de texto. Prepare também uma amostra depositando PTCDA em prata um um, conforme descrito no protocolo de texto.

Defina o microscópio de tunelamento de varredura ou STM no modo de corrente constante com os parâmetros que facilitam o contraste LUMO para PTCDA. Isso permite determinar a orientação molecular. No software SPM, insira os parâmetros para a varredura, incluindo a área a ser digitalizada, os pontos de ajuste para o loop de feedback e a velocidade de varredura.

Clique no botão Iniciar no software SPM para criar uma imagem do PTCDA. Depois de encontrar a área de superfície adequada para manipulação, conforme descrito no protocolo de texto, crie uma janela de visão geral e ajuste a área a ser digitalizada e a velocidade de digitalização. Para 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 distância de corrente no qual a ponta é movida verticalmente em direção aos átomos de oxigênio carboxílico de PTCDA em três a cinco angstroms. I em função de Z é registrado definindo uma tensão de polarização constante e definindo uma rampa de altura da ponta para se aproximar e retrair a ponta da superfície.

Em seguida, clique no botão espectro único no software SPM e selecione uma posição na imagem STM gravada mais recentemente acima dos átomos de oxigênio carboxílico da molécula PTCDA selecionada para manipulação. Onde o espectro de distância atual deve ser registrado. Para verificar se a ponta está em condições adequadas, verifique se a curva de distância de corrente registrada exibe 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 0,5 a três angstroms levantando através da retração vertical da ponta, após o que a corrente cai abruptamente quando a ligação se rompe. Depois de escanear novamente a molécula de PTCDA selecionada para manipulação, posicione a ponta sobre o átomo de oxigênio carboxílico escolhido para a manipulação selecionando o conjunto X, Y offset top e, em seguida, clicando na respectiva imagem. Use o ponto de contato correto, conforme verificado anteriormente.

Ative o loop de bloqueio de fase e defina o modo de controle de amplitude. Defina a amplitude de oscilação o mais baixa possível, mas alta o suficiente para que a detecção delta-F seja possível com condições de ruído e velocidade de detecção aceitáveis. Abra o loop de feedback e insira zero para o valor do integrador na janela de parâmetros do software SPM.

Em seguida, defina a polarização de junção para alguns milivolts na janela de parâmetros do software SPM. Por fim, defina a corrente amplifier ganho para um vezes 10 elevado a 7 volts por ampere na janela de parâmetro de valor do software SPM. Coloque o head-mounted display ou HMD e pegue o objeto rastreável.

Se necessário, reposicione o HMD na cabeça do usuário enquanto executa as etapas a seguir para visualizar a cena de realidade virtual ou o ambiente de laboratório, teclado e monitor do computador. O próximo passo é marcar o ponto de contato na cena virtual 3D. Esta âncora ajuda a encontrar o contato facilmente para outras tentativas de manipulação usando manipulação manual sem a necessidade de redefinir a fonte de tensão multicanal controlável remotamente.

Para fazer isso, ative o controle manual ao longo do eixo z apenas marcando a caixa de seleção correspondente no software de ponta, mantendo as caixas de seleção X e Y desmarcadas. Mova o objeto rastreável para baixo enquanto observa os sinais atuais e delta-f em tempo real exibidos em verde e rosa na cena virtual. Pare de mover o objeto rastreável quando os sinais atual e delta-f mostrarem um salto acentuado simultâneo.

A assinatura de uma formação de contato. Inicie a gravação da trajetória na interface VR clicando no botão correspondente e movendo o objeto rastreável para cima. Pare a gravação da trajetória na interface VR 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 delta-f. Clique no botão de pausa no software de dicas 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 Iniciar no software da ponta.

Tente encontrar uma trajetória de elevação bem-sucedida em que a molécula contatada esteja completamente separada da superfície no final da trajetória. Para isso, aproxime-se do ponto onde a âncora exibiu a formação do contato da molécula da ponta movendo o objeto rastreável enquanto segue 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 VR.

Puxe a molécula em uma direção adequada para elevação, movendo o objeto rastreável de acordo. Se for detectada uma ruptura do contato da molécula da ponta, pare de registrar a trajetória. Retorne ao ponto de contato, inicie o registro da trajetória na formação do contato e execute uma manipulação diferente.

Repita essa sequência até que o levantamento seja bem-sucedido. Se o contato da molécula da ponta ainda estiver estável em Z for maior que 10 angstroms, esta é a assinatura para o levantamento bem-sucedido da molécula. Para garantir que a molécula esteja na ponta, aproxime-se da superfície novamente.

Um aumento suave de delta-f ocorrendo durante a aproximação enquanto a ponta ainda está longe da superfície indica que a molécula está presa à ponta e orientada perpendicularmente à superfície. Após um levantamento bem-sucedido, mova o objeto rastreável para cima para retrair a ponta mais 10 a 20 angstroms 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 para as coordenadas iniciais X, Y usando o controle manual. Desmarque a caixa de seleção X ou Y quando a respectiva coordenada se aproximar de zero. Clique no botão de pausa no software de ponta para corrigir a posição atual da ponta e desativar o controle manual.

Sem ativar o loop de feedback, selecione definir o topo de deslocamento X Y e, em seguida, clique na respectiva imagem para posicionar a ponta sobre a superfície prateada limpa de 50 a 100 angstroms de distância da ilha onde a molécula foi extraída. Em seguida, defina o ganho do amplificador de corrente para um vezes 10 elevado a 9 volts por ampère. Desmarque as caixas de seleção X e Y no software de dicas e clique no botão Iniciar.

Mova o objeto rastreável para se aproximar da superfície até que uma corrente mensurável apareça. Clique no botão de pausa no software de dicas para desativar o controle manual. Passo a passo, aumente a tensão de polarização usando um controle deslizante controlado pelo mouse no software SPM até que haja um salto simultâneo na corrente e delta-f que indica que a molécula caiu na superfície.

Examine a área no modo de corrente constante e verifique se a molécula foi realmente depositada de volta na superfície. Por fim, escaneie a área na região onde a molécula foi extraída para examinar a vaga criada. Aqui é mostrado um exemplo para a nanoestruturação de uma camada molecular por manipulação controlada manualmente.

A série de imagens STM mostra a criação sequencial de 47 vagas por remoção consecutiva de moléculas individuais de PTCDA de uma camada fechada. Esta animação mostra 34 trajetórias de manipulação que levaram à remoção bem-sucedida do PTCDA da camada mono. Aqui está uma animação de trajetórias de ponta 3D demonstrando o refinamento e a reprodutibilidade da trajetória com 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 trajetória torcida recém-descoberta. Nosso método de manipulação manual pode ser facilmente aplicado a novas tarefas de manipulação ou a novas moléculas.

Sem a necessidade de envolver simulações caras. Uma vez dominada, a manipulação manual pode ser usada 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 em tais junções de metal de molécula de metal.

Ao fazer manipulação controlada manualmente, o experimentador está sujeito ao processo de aprendizagem. Mais tarde, pretendemos formalizar esse aprendizado e, finalmente, delegá-lo a um computador.