Ручным управлением Манипуляции одиночных молекул с помощью сканирующего зондового микроскопа с 3D-интерфейсом виртуальной реальности

Общей целью управляемых вручную манипуляций с отдельными молекулами с помощью сканирующего зондового микроскопа является систематическое и интуитивное исследование протоколов манипуляций в трех измерениях. Этот метод расширяет наши возможности в области молекулярных нанотехнологий. Например, это позволяет нам систематически совершенствовать протоколы манипуляций с молекулами и изучать межмолекулярные направления или даже создавать сложные сверхмолекулярные структуры.

Главным преимуществом данной методики является ее интуитивный характер. Экспериментатор ломает шаблоны программирования автоматически выполняемых траекторий наклона наконечников. И принимает непосредственное участие в процессе манипуляции.

Расширение манипуляций с молекулами до третьего измерения и отрыв от поверхности открывает много новых возможностей, но в то же время неизбежно возникает потребность в управлении 3D-визуализацией. Настройте низкотемпературный сканирующий зондовый микроскоп, приводимый в действие в 3D рукой экспериментатора, с помощью системы захвата движения, как описано в текстовом протоколе. Также подготовьте пробу, нанеся PTCDA на серебро один на один, как описано в текстовом протоколе.

Установите сканирующий туннельный микроскоп или СТМ в режим постоянного тока с параметрами, облегчающими LUMO контраст для PTCDA. Это позволяет определить молекулярную ориентацию. В программном обеспечении SPM введите параметры сканирования, включая сканируемую область, заданные значения для петли обратной связи и скорость сканирования.

Нажмите кнопку «Пуск» в программном обеспечении SPM, чтобы создать образ PTCDA. Найдя область поверхности, подходящую для манипуляций, как описано в текстовом протоколе, создайте окно обзора и отрегулируйте область для сканирования и скорость сканирования. Для того, чтобы записать детализированный СТМ небольшого региона.

Затем проверьте способность наконечника связываться с молекулой PTCDA. Затем приготовьтесь к записи текущего спектра расстояний, в котором наконечник смещен вертикально к атомам карбонового кислорода ПТКДА на три-пять ангстрем. I как функция Z записывается путем установки постоянного напряжения смещения и определения наклона высоты наконечника для приближения и отвода наконечника от поверхности.

Затем нажмите на кнопку «Одиночный спектр» в программном обеспечении SPM и выберите положение на самом последнем записанном изображении STM над атомами карбонового кислорода молекулы PTCDA, выбранной для манипуляций. Где должен быть записан текущий спектр расстояний. Чтобы проверить, находится ли наконечник в надлежащем состоянии, убедитесь, что записанная кривая расстояния тока показывает образование контакта между наконечником и молекулой в виде резкого увеличения тока.

Как правило, контакт достаточно силен для подъема от 0,5 до трех ангстрем через вертикальное втягивание кончика, после чего ток резко падает при разрыве связи. После повторного сканирования молекулы PTCDA, выбранной для манипуляции, поместите наконечник над атомом карбонового кислорода, выбранным для манипуляции, выбрав набор X, Y смещенный верх, а затем щелкните на соответствующем изображении. Используйте правильную точку контакта, как было проверено ранее.

Активируйте петлю фазовой автоподстройки частоты и установите режим регулировки амплитуды. Установите амплитуду колебаний как можно ниже, но достаточно высоко, чтобы было возможно обнаружение дельта-F при приемлемых условиях шума и скорости обнаружения. Откройте цикл обратной связи и введите ноль в качестве значения интегратора в окне параметров программного обеспечения SPM.

Затем установите смещение перехода на несколько милливольт в окне параметров программного обеспечения SPM. Наконец, установите коэффициент усиления тока равным 10 умножить на 7 вольт на ампер в окне параметра программного обеспечения SPM. Наденьте на головной дисплей или шлем виртуальной реальности и возьмите отслеживаемый объект.

При необходимости переместите шлем виртуальной реальности на голову пользователя, выполняя следующие действия, чтобы просмотреть сцену виртуальной реальности или лабораторную среду, клавиатуру и монитор компьютера. Следующим шагом является отметка точки контакта в виртуальной 3D-сцене. Этот анкер помогает легко найти контакт для дальнейших попыток манипуляций с помощью ручного управления без необходимости сброса дистанционно управляемого многоканального источника напряжения.

Для этого активируйте ручное управление только по оси Z, установив соответствующий флажок в программном обеспечении tip, при этом не устанавливая флажки X и Y. Перемещайте отслеживаемый объект вниз, наблюдая за текущими и дельта-f сигналами реального времени, отображаемыми зеленым и розовым цветом в виртуальной сцене. Остановите движение отслеживаемого объекта, когда текущий и дельта-f сигналы показывают одновременный резкий скачок.

Признак образования контакта. Начните запись траектории в VR-интерфейсе, нажав соответствующую кнопку и переместив отслеживаемый объект вверх. Остановите запись траектории в VR-интерфейсе, нажав соответствующую кнопку, как только произойдет разрыв контакта между молекулой и наконечником.

Сигнатурой является одновременное резкое падение тока и сигнала дельта-f. Нажмите кнопку паузы в программном обеспечении для получения чаевых, чтобы отключить ручное управление. Активируйте ручное управление движением наконечника по всем пространственным осям, установив флажки X, Y и Z в программном обеспечении и нажав кнопку «Пуск» в программном обеспечении наконечника.

Попытайтесь найти успешную траекторию подъема, при которой контактирующая молекула полностью отделяется от поверхности в конце траектории. Для этого подойдите к точке, где якорь продемонстрировал образование контакта с молекулой зонда, перемещая отслеживаемый объект, следуя за движением сферы, представляющей текущее положение зонда в виртуальной сцене. Как только контакт сформируется, приступайте к записи новой траектории в VR-интерфейсе.

Потяните молекулу в направлении, подходящем для подъема, переместив отслеживаемый объект соответствующим образом. Если обнаружен разрыв контакта с молекулой наконечника, прекратите запись траектории. Вернитесь в точку контакта, начните запись траектории по формированию контакта и выполните другую манипуляцию.

Повторяйте эту последовательность до тех пор, пока подъем не будет успешным. Если контакт с молекулой зонда остается стабильным при Z, превышающем 10 ангстрем, это является признаком успешного лифтинга молекулы. Чтобы убедиться, что молекула находится на кончике, снова подойдите к поверхности.

Плавное увеличение дельта-f, происходящее во время сближения, когда зонд еще далеко от поверхности, указывает на то, что молекула прикреплена к вершине и ориентирована перпендикулярно поверхности. После успешного подъема переместите отслеживаемый объект вверх, чтобы втянуть наконечник еще на 10-20 ангстрем от поверхности. Это снижает любое взаимодействие поднятой молекулы с поверхностью.

Зафиксируйте высоту наконечника, сняв флажок Z, и переместите наконечник обратно к исходным координатам X, Y с помощью ручного управления. Снимите флажок X или Y, как только соответствующая координата приблизится к нулю. Нажмите на кнопку паузы в программном обеспечении наконечника, чтобы зафиксировать текущее положение наконечника и отключить ручное управление.

Не включая петлю обратной связи, выберите «Установить смещение по X Y сверху», а затем щелкните на соответствующем изображении, чтобы расположить наконечник над чистой серебряной поверхностью на расстоянии от 50 до 100 ангстрем от острова, где была извлечена молекула. Затем установите коэффициент усиления тока на один умножить на 10 до 9-х вольт на ампер. Снимите флажки X и Y в программном обеспечении для чаевых и нажмите кнопку «Пуск».

Перемещайте отслеживаемый объект так, чтобы он приближался к поверхности, пока не появится измеряемый ток. Нажмите на кнопку паузы в программном обеспечении для получения чаевых, чтобы отключить ручное управление. Пошагово увеличивайте напряжение смещения с помощью управляемого мышью ползунка в программном обеспечении SPM до тех пор, пока не произойдет одновременный скачок тока и дельта-f, указывающий на то, что молекула упала на поверхность.

Отсканируйте область в режиме постоянного тока и проверьте, действительно ли молекула была нанесена обратно на поверхность. Наконец, просканируйте область в области, где была извлечена молекула, чтобы изучить образовавшуюся вакансию. Здесь показан пример наноструктурирования молекулярного слоя с помощью манипуляций, управляемых вручную.

Серия изображений STM показывает последовательное создание 47 вакансий путем последовательного удаления отдельных молекул PTCDA из замкнутого слоя. На этой анимации показаны 34 траектории манипуляций, которые привели к успешному удалению PTCDA из монослоя. Вот анимация 3D-траекторий зонда, демонстрирующая уточнение траектории и воспроизводимость манипуляций, управляемых вручную.

Серая кривая представляет собой исходную привязку, полученную в результате усреднения траекторий, показанных в предыдущей анимации. Цветные кривые представляют собой семь неудачных попыток манипуляций по эталонной траектории и семь успешных попыток по вновь обнаруженной изломанной траектории. Наш метод ручного управления может быть легко применен к новым задачам манипуляции или к новым молекулам.

Без необходимости привлечения дорогостоящего моделирования. После освоения управляемые вручную манипуляции могут быть использованы для изучения отдельных молекул в конфигурациях, которые в противном случае недоступны. Проведение таких экспериментов может значительно расширить наши представления о фундаментальных процессах, происходящих в таких металлических соединениях молекул металлов.

При выполнении манипуляций, управляемых рукой, экспериментатор подвергается процессу обучения. Позже мы планируем формализовать это обучение и, наконец, делегировать его компьютеру.