Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1 Кварцевые микровесы с контролем добротности.
Рис. 2 Нанолаборатория ИНТЕГРА Аура с жидкостной ячейкой и кварцевыми микровесами.
Рис. 3 Динамика изменения массы полимерной пленки с наночастицами оксида гафния в процессе сорбции/десорбции аммиака.

Весы для атомов и молекул

Ключевые слова:  атомные весы, НТ-МДТ, СЗМ

Опубликовал(а):  Андреюк Денис Сергеевич

18 марта 2010

Представим себе такую задачу. Девочка Маша качается на качелях. Она раскачивает качели ритмичными толчками с постоянной силой (как только может). В результате качели отклоняются на амплитуду А и имеют частоту движения ω. В какой-то момент к Маше на качели подсаживается соседский мальчик Петя. Петя – мальчик упитанный и весьма ленивый. Он не раскачивает качели, а просто сидит на них. Раскачивает одна Маша. Вопрос: изменятся ли амплитуда и частота движения качелей? Очевидно, ответ – да, изменятся, причем степень изменения будет зависеть от массы мальчика Пети.

Именно на таком принципе основана работа нового устройства – кварцевых микровесов. Кварцевая пластина, установленная на дне герметичной камеры, колеблется в поперечном направлении. Колебания вызываются электродами по краям пластины, к которым прикладывается переменное напряжение (кварц – пьезоэлектрик). Параметры колебаний регистрируются специальными датчиками. Если на пластину осаждаются молекулы, то параметры колебаний изменятся. Существуют хорошие модели, которые позволяют пересчитать изменение частоты в изменение массы.

Сам принцип – измерения массы с помощью колеблющейся системы – не нов. Например идея использовать балку АСМ зонда (кантилевер) в качестве «весов» родилась в конце 70х годов, почти одновременно с рождением самого атомно-силового микроскопа. С тех пор так и не было создано ни одной надежной коммерческой системы, способной конкурировать с альтернативными методами идентификации единичных молекул. Так, предлагалось использовать кантилевер для создания тест систем по идентификации антигенов. Однако, связывание единичных молекул иммуноглобулинов по-прежнему надежнее и дешевле определять методами иммуноферментного анализа, современные модификации ИФА это вполне позволяют. Напротив, кварцевые микровесы (в английской литературе QCM – quarts crystal microbalances) прижились и сегодня существует множество разновидностей коммерческих устройств на этом принципе. Дело в том, что использование относительно крупной пластины в качестве подложки (рис. 1) дает возможность исследовать не только процессы сорбции-десорбции молекул, но также изучать свойства пленок, регистрировать изменения структуры гелей (которые будут по-разному рассеивать колебательную энергию подложки) и многое другое.

Уникальность новой разработки НТ-МДТ состоит в том, что устройство для «взвешивания» молекул интегрировано со сканирующим зондовым микроскопом (рис. 2). Это принципиально расширяет возможности исследователя. С помощью микровесов он (или она) может зарегистрировать изменение массы на подложке или изменение свойств прикрепленной к подложке пленки. Из-за чего меняется масса? Что при этом происходит с морфологией образца в масштабе нанометров? Все это можно исследовать в растворе, состав которого можно контролируемо менять в ходе эксперимента, поддерживать нужный газовый состав в камере и т.д.

В качестве примера можно привести такой модельный эксперимент. Известно, что наночастицы оксида гафния способны обратимо сорбировать молекулы аммиака. На рис. 3 показан график изменения массы пленки с наночастицами HfO2 при напускании в камеру аммиака. При продувании камеры азотом (что должно приводить к десорбции), масса пленки уменьшается. Профиль поверхности на АСМ изображении показывает, что при сорбции аммиака морфология наночастиц меняется. Подробно этот эксперимент описан здесь.


Источник: НТ МДТ



Комментарии
Пастух Евфграфович, 18 марта 2010 11:31 
, (полезная статья, я так сразу, "по старой английской традиции, за чашкой чая", посчитал период маятника высотой с пирамиду Хеопса - получается, что они давно знали, что есть кратное часу время?)
А какую минимальную массу можно измерить? А то 1нг это вроде не один атом?
Gromolyot, 19 марта 2010 00:30 
В работе выполнено наблюдение нанопупырышков на поверхности в процессе сорбции-десорбции,динамика которой контролировалась весовым методом.Взвешивания отдельных атомов и молекул - не наблюдалось
Чувствительность по массе меньше 0,3 нг. Один атом почувcтвовать нельзя, но осаждение моноатомного слоя - можно.
Насчет нанопупырышков комментарий уместен, действительно, измеряется не абсолютная масса, а ее изменение. Но в данном случае "нанопупырышки" сорбировали аммиак и это регистрировалось по изменению массы.
Если интересны подробности, пишите мне на andreuk AT ntmdt DOT ru, я переключу на ученых или просто пришлю обзоры.
Одегов Роман Айратович, 21 марта 2010 10:47 
Не знал о существовании таких весов, интересно...
Букин Сергей Юрьевич, 21 марта 2010 22:04 
А чем они лучше атомных весов Центра Перспективных Технологий? У них вроде давно уже такие есть.
Насколько я знаю, у ЦПТ как раз используется принцип катилевера. Получается гораздо выше чувствительность (там реально можно взвешивать молекулы), но надо сперва эти молекулы прикрепить и доказать, что это именно те молекулы, которые хочется взвесить.
Принципиальное отличие весов НТ-МДТ от всех подобных устройств - это интеграция со сканирующим зондовым микроскопом. Вы можете непосредственно видеть, что происходит в Вашей экспериментальной камере! Например, если исследуется пленка, то можно измерить изменение массы и, одновременно, изменение механических или электрических характеристик.
Букин Сергей Юрьевич, 23 марта 2010 00:09 
Ну и в том и другом случае нужно доказывать, что это те самые молекулы которые хочется взвесить. Нужна контролируемая атмосфера, в при интеграции со сканирующим зондовым микроскопом контролируемую атмосферу создать трудно. "Фонить" будет постоянно.
При взвешивании нельзя сканировать. Так какой смысл от данной конструкции? Одновременного измерения характеристик не получится при взвешивании будут пробелы. Либо взвешиваем, либо сканируем. Всегда можно перенести образец на похожие весы. Результат будет такой же. А стоит наверняка больше чем два отдельных прибора.
Букин Сергей Юрьевич, 23 марта 2010 00:11 
Приведите связанные изображения взвешивания и топографии образца. А то как-то бездоказательно получается.
Контролируемую атмосферу сделали, сделали и
вакуум до 10-2 торр. Кроме того возможно
работать в жидкости в проточной ячейке.

"Фонит" - только в жидкости при проточном
измерении. В газе - все нормально даже при
постоянном потоке.

Влияние АСМ на показания микровесов
несущественно. Оно видно только при подводе-
отводе. При подведенном состоянии - уровень
шума и стабильность показаний микровесов
аналогичная характеристикам без
взаимодействия с АСМ.

Если сравнивать цены модуля микровесов для
совместной работы с АСМ и отдельный прибор
микровесов от других производителей, то цена
такого модуля в 1,5-2 раза дешевле чем
отдельный прибор.

Связанные изображения топографии и
взвешивания приведены по ссылке в конце
статьи.
Букин Сергей Юрьевич, 23 марта 2010 12:54 
В статье напрямую не сказано, что измерения проводились одновременно. Там "отвечают стадиям". Обычно так пишут когда делают сначала измерения одним прибором, потом другим. Почему такой резкий переход между 1 и 2 стадиями, и стадиями 2-3? Весы не ловят это изменение? У сорбции и десорбции вообще-то обычно гладкие кривые.
Вакуум 10-2 торр это вакуум уровня присоски. Т.е. как я понимаю герметизировать данную конструкцию нормально невозможно.
Как Вы вычитаете показания например при измерении в полуконтактном режиме, нормальное вычитание влияния кантилевера можно в данном случае сделать только в контактном режиме.
О ценах на интегры я знаю. За те же деньги лучше JPK купить. А если нужен дешевый и нормальный атомник и весы - лучше ФемтоСкан.
Хочу поблагодарить Сергея Юрьевича за интересные комментарии. Несколько уточнений.
1. Иностранные приборы, сравнимые с нанолабораторией ИНТЕГРА по классу и по набору опций Вы купите ВСЕГДА существенно дороже. Как специалист, хорошо знакомый с рынком, я Вас информирую - Вы переплатите от 40% до 100% стоимости (в зависимости от конкретной схемы оплаты).
2. Если нужен "дешевый и нормальный атомник" - вариантов есть много, например, Солвер НЕКСТ или вообще СМЕНА. Но мы должны понимать, что "атомник" будет отдельно, а весы - отдельно.
Максим Максимович, насчет одного атома, это Вы напрасно. Вроде этого здесь никто и не обещал. Если такое впечатление сложилось, то это не более, чем художественный образ.
По поводу новинок, конечно они есть. Могу порекомендовать измерение теплопроводности в микромасштабе ( подробности здесь).
Скоро будет анонс об интеграции микрорентгенофлуоресцентного анализа и СЗМ. Можно получать информацию об элементном составе образца, который исследуют в сканирующем зондовом микроскопе.
Neugierige, 23 марта 2010 20:02 
Уважаемый Денис Сергеевич!
Очень интересное сообщение об анонсе об интеграции микрорентгенофлуоресцентного анализа и СЗМ.
Здесь уже поднимался вопрос : а какая потенциальная синергия у зондовой микроскопии с микроРФА?
Будет ли это напоминать неутомимого Kenji Sakurai с его Nanoscale Chemical Imaging by Scanning Tunneling Microscopy Assisted by Synchrotron Radiation или как- то по другому?
Neugierige, 23 марта 2010 20:23 

Но Максим Максимович, разве место работы предмет для обсуждения? Наоборот, возможность получения максимально свежей и достоверной информации.

P.S. КстатИ, чего не хватает в : казнить нельзя помиловать?
Букин Сергей Юрьевич, 23 марта 2010 20:46 
Уважаемый, Денис Сергеевич. Вашу линейку я знаю
и к сожалению цены тоже. Если буду брать,
отдельный возьму Veeco, если денег не хватит
(не знаю что с внебюджеткой будет) возьму у
АИСТ-НТ. Вот думаю насчет еще других
отечественных атомников. Но это надо поработать
на них. А у Вас не по нашим бюджетам.
Уважаемый Сергей Юрьевич. Переходы 1-2 и 2-3 резкие возможно из-за общего масштаба шкалы по времени. Общая шкала около 50 минут, а шаг - 0,3 секунды. На переход 1-2 приходится около 6 секунд, соответсвенно 20 точек. Если интересно смотреть быстротекущие процессы, то можно задать гораздо меньший шаг. Минимальный - примерно 0,01 сек. В данном случае это не требовалось.Вакуум 10-2 торр - это обычный форвакуум, вы правы. Для задач сменить газовую атмосферу и поддерживать ее в течение нескольких часов такой герметичности вполне хватает.

Не совсем понял вопрос про вычитания. Если речь о влиянии зонда на микровесы - то никак не вычитаем. Предварительно был проведен эксперимент по измерению стабильности частоты микровесов с одновременным сканированием или просто в подведенном состоянии в полуконтакте. Уровень шума и дрейфы идентичны показаниям без АСМ зонда. Поэтому влиянием АСМ на частоту в эксперименте пренебрегаем.
Букин Сергей Юрьевич, 24 марта 2010 12:40 
Уважаемый Артем Викторович. Рассмотрим ситуацию когда девочка Маша качается на качелях с одной частотой, а тощий мальчик Петя пытается раскачать их с другой частотой. Общая частота такой системы будет отличаться от частоты качелей с одной девочкой Машей. У нас две колеблющиеся системы взаимодействующих друг с другом. При этом мальчик Петя хулиган и свою частоту постоянно меняет. Что будет в этом случае с частотой качелей? Обратная связь СЗМ будет успевать реагировать на изменения частоты весов и изменение толщины поверхности?
А кантилевер может влипнуть в растущую поверхность?
Ну и кантилевер вещь материальная и также участвует в процессах сорбции и десорбции. Его частота в полуконтактном режиме и от сюда же получаемая картинка становится немного другой.
Сканирование процесс не мгновенный. Пусть для примера будет 180 секунд. Наложим этот отрезок на представленный график, что получится? Начало отрезка соответствует одной массе, конец совсем другой. Т.е. получается, что одна часть полученного изображения - прошлое, а только конец изображения настоящее. А "мгновенного" изображения пригодного для анализа мы на стадиях 2 и 3 не увидим.
В ходе длительных измерений при активной сорбции, десорбции и измерениях кантилевер станет непригодным для измерений. Его надо менять. Разбирать всю систему?
Т.е вся система пригодна для работы при соблюдении следующих условий:
1. Зонд подведен к поверхности на все время измерений.
2. Газообразное вещество не взаимодействует с материалом зонда
3. Сорбция и десорбция равномерные по поверхности процессы - для получения адекватной картинки в случае перехода зонда от одной фазы к другой.
4. Время процесса на котором его можно считать линейным (ну положим +-5градусов) для получения адекватных изображений должно быть сопоставимым со временем сканирования.
5. Число измерений не должно повлиять на их качество - кантилевер должен остаться целым на все время измерений в закрытой установке.
Не много ли условий для получения адекватного результата?
А какой результат надо получить? Можно ли его - прибор будет использовать в медицине для диагностики, когда уже заболел, но никто из докторов не может сказать почему? Просто молчат ... и пичкают, пичкают непонятно чем.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Гиперболоид инженера Гарина
Гиперболоид инженера Гарина

Все члены сборной России получили медали на 30-й Международной биологической олимпиаде для школьников
21 июля в Сегеде (Венгрия) подвели итоги 30-й Международной биологической олимпиады для школьников. Российская сборная на состязании завоевала три серебряные медали и одну бронзовую.

Шесть медалей завоевали российские школьники на 60-й Международной математической олимпиаде
Стали известны итоги 60-й Международной математической олимпиады для школьников, которая проходила в Бате (Великобритания). Российская сборная завоевала две золотые и четыре серебряные медали.

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019. Тезисы доклада Быкова В.А.

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.