El 3D Sanal Gerçeklik Arayüzü ile bir Tarama Prob Mikroskobu üzerinden Tek Moleküllerin Manipülasyon Kontrollü

^{3 –} (bundan sonra sadece adlandırılan SPM LT NC-AFM / STM) düşük sıcaklık temassız atomik kuvvet / taramalı tünelleme mikroskobu, bireysel atomlar veya moleküller ¹ atomik hassas manipülasyon için tercih edilen bir araçtır. SPM-tabanlı manipülasyon genellikle iki boyutta sınırlı ve ani ve sık sık stokastik manipülasyon olaylar (atlar) bir dizi oluşur. Bu aslında sürecin kontrolünü kısıtlar. ^{9 –} iyi tanımlanmış bir atom konumunda tek bir kimyasal bağ ile söz konusu molekül Bağlantı bu sınırlamaları ⁴ aşmak bir yaklaşım açmaktadır. manipülasyona boyunca temas molekülü ucunun uygun yer değiştirmeler ile, her üç boyutta hareket molekülü mümkün hale gelir, böylece SPM ucuna bağlanır. Bu 3D alanında gerçekleştirilen çeşitli karmaşık manipülasyon işlemleri için olasılığını yaratmaktadır. Ancak temas manipülasyon merhaba olabiliruç-molekül temas kopma için yeterince büyük olan kuvvetlere oluşturabilir çevresi yüzeyi ve / veya diğer moleküller ile manipüle molekülün etkileşimler ndered. Bu nedenle, SPM ucu belirli bir 3D yörüngesi veya başarılı bir manipülasyon olayına neden olabilir veya olmayabilir. Bir soru böylece çevre ile manipüle molekülün etkileşimler-priori iyi karakterize değil iken, uç-molekül bağ sınırlı güce sahiptir durumlarda manipülasyon başarılı bir şekilde tamamlanması için yol protokolleri nasıl tanımlanacağını ortaya çıkar.

İşte bu soru en sezgisel bir şekilde hayal olarak yaklaşılır. Deneyci sadece kendi elini ⁷ hareket ettirerek SPM ucu deplasmanları kontrol etmek için izin verilir. Bu, ticari bir hareket yakalama sistemi SPM birleştirilmesi ile elde edilir, özellikleri bazıları aşağıda verilmiştir. "El kontrollü manipülasyonu" (HKM) avantajı t olduğunuO hızla farklı manipülasyon yörüngelerini denemek ve onların başarısızlık veya başarı öğrenmek için deneycinin yeteneği.

HCM kurulumu bir kelime ( "JÜLICH") Ag üzerinde perilen-3,4,9,10-tetrakarboksilik dianhidrit (PTCDA) moleküllerinin kapalı tabakasında stenciled edildiği bir proof-of-prensibi deneyi (yürütmek için kullanılır olmuştur 111), HCM ⁷ 48 molekülü, tek tek, çıkarılması. Yüzey yararak tek tabaka ¹⁰ moleküllerini bağlayan onun moleküller arası hidrojen bağları bir molekül Kaldırma. Tipik haliyle, bu moleküller arası bağların toplam gücü ucunun dış atomu ve molekül (bakınız Şekil 1) temas edildiği PTCDA bir karboksilik oksijen atomu arasında bir kimyasal bağ gücünü aşmaktadır. Bu uç-molekül temas rüptürü ve manipülasyon girişimi aşağıdaki yetmezliğine yol açabilir. deneycinin görevi Belirlenme böylece,ne toplam kuvvet ucu-molekül kişiye uygulanan, böylece sırayla eşzamanlı değil direnen moleküller arası bağları koparan bir ipucu yörünge asla gücünü aşıyor.

İstenilen yörünge prensipte simüle edilebilir olsa da, sistemin büyüklüğü ve karmaşıklığı nedeniyle gerekli simülasyonlar zaman engelleyici büyük miktarda alacağını çıkıyor. Bunun aksine, HCM kullanılarak 40 dakikada birinci molekül kaldırmak mümkün olmuştur. Deneyin sonuna doğru çıkarma zaten öğrenme prosedürü etkinliğini teyit çok daha az zaman aldı. Komşu yerden çıkarılan bir molekül tek tabaka başka molekülün hatalı çıkarılmasından sonra kalan boşluğu kapatmak için kullanılan Ayrıca, HKM Yöntemin doğruluğunu ve çok yönlülüğü ters manipülasyon eyleminde kanıtlandı.

Hareket yakalama yaklaşımı, hızlı ve sezgisel olurken, biruç-yörünge verilerinin nesil ile sınırlıdır. Yeni moleküler manipülasyon protokollerinin daha sistematik gelişimi için gerçek zamanlı olarak ucu yörünge verileri görüntülemek yanı sıra daha önce oluşturulan verileri analiz edebilmek için aynı derecede önemlidir. Bu nedenle, HKM kurulum işlevselliği Deneyciler ucu yörünge akımı (I) tarafından artar 3D sanal sahnede çizilen veri ve frekans kayması görmek için izin sanal gerçeklik gözlükleri ekleyerek büyük ölçüde geliştirilmiş (mesafe kadar taşınmış) değerleri ölçülmüştür gerçek zamanlı ⁸ SPM göre (aşağı bakınız). Buna ek olarak, sanal gerçeklik sahne görsel ölçek referansı olarak hizmet manipüle molekülünün bir modelini göstermektedir. Böylece sanal gerçeklik arayüzü tarafından iltifat HCM kurulum manipülasyon yörünge alanı sistematik haritalama ve gelecek vaat eden manipülasyon protokolleri ardışık arıtma için uygundur. Sistem aynı zamanda d arasındaki bilgi transferini kolaylaştırır yanındaifferent deneyler. Aşağıdaki paragraflarda, bir kurulum açıklamasını ve manipülasyon deneyleri için önemli olan onun bazı özellikleri verir.

Deneyler, bir hazırlama odasına oluşan ticari bir SPM ve analiz odasına 1 x 10 ^-10 mbar'lık bir taban basınç ultra yüksek vakum (UHV) 'de gerçekleştirilir. Hazırlık bölmesi ile donatılmıştır: Örnek püskürtme için kullanılan Ar ⁺ kaynak, manipülatör ile Örnek transferi, düşük enerjili elektron kırınımı (LEED), PTCDA tozu içeren özelleştirilmiş Knudsen hücre (K-hücresi) (ısıtma ve bir numunenin bir soğutma sağlar) süblimasyonla arıtıldı. Bir ayarlama çatalı sensörü ¹² (ile donatılmış 12 L hacminde ve 46 saatlik bir tutma süresi, LHE banyo kriyostat (5 L, 72 saat), Besocke ¹¹ böcek türü SPM ile LN ₂ banyo Kriyostat: analiz odası ile donatılmıştır STM çalışması için (bir elektrikle bağlı PtIr ucu ile bir kuvars akort çatalı oluşan TFS)), Kesme ve odaklanmış iyon demeti (FİB) (Şekil 2) göre bilenmiş olan.

Şekil 2. Tuning çatal sensör. Ekli PtIr ucu ile ticari diyapozon sensörünün (a) Görüntü. (B) FIB ile kesilmiş PtIr ucu apeks SEM görüntüsü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

AFM TFS bir titreşim piezo ile rezonans ₍₀ ≈ 31.080 Hz f) de heyecanlı frekans modüle (FM) modunda ¹³ çalıştırılır. titreşen akort çatalı piezoelektrik sinyal TFS salınım sabiti genliği tutar ve i değişiklikleri izler bir faz kilitli döngü (PLL), tarafından yükseltilir ve kullanılanuç etki eden gücün gradyanı kaynaklanan ₀ m, – TS rezonans frekansı, mesafe kadar taşınmış = F. Şekil 3'te gösterildiği gibi, SPM ucunun konumu 5 K (U, U _{Y, X 'u Z)} x- bir dizi tatbik voltajlar tarafından, y, z,-piezos (piezo sabitlerini kontrol edilir: X = 15, y = 16, z = 6 Å / V). U _x u _y u _z -voltages (20 bit çözünürlükte ± 10 V) SPM elektronik çıkışlarında oluşturulur. Bundan başka ± 200 V maksimum çıkış voltajına sahip olan bir yüksek gerilim (HV) amplifikatör ile yükseltilir

Şekil HKM kurulum 3. Şemalar. (Izlenen nesnenin) konumu o İÇİN hareket yakalama sistemi (MCS) iki kızılötesi kamera tarafından izlenir yüzeyinde yüklü birden fazla (kızıl ötesi) IR kaynakları vardır. TipControl yüzdenftware gerilimlerin bir dizi _(X V _Y, V _z) gerilimlerle toplanır ve (U _X oluşturur (RVS) MCS gelen koordinatları (x, y, z) İLİŞKİN elde eder ve uzak voltaj kaynağına geçirir u _y u _z) SPM ucu pozisyon kontrolü için SPM elektroniği tarafından üretilen. ilave gerilimi yüksek gerilim (HV) amplifikatör içinden geçer ve daha SPM ucunun piezo-konumlandırma sistemi uygulanır. SPM geribildirim (FB) döngü açıkken kurulum ucu konumlandırma manuel kontrol sağlar. (X, y, z) uç konumu da I (x, y, z) ve mesafe kadar taşınmış (x, y, z) operatör tarafından görülebilir 3D görselcekrandaki bu çizer VRinterface yazılımı iletilen gibidir kafa tipi ekran (HMD) giyen. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

SPM ucu arasında akan tünel akımıYüzey 1 x 10 ⁹ V / A 1 x 10 ³ aralıkları değişken kazanç ile bir transempedans amplifikatör ile ölçülür (kazanç 1 bant genişliği x 10 ⁹ V / A 1 kHz) olduğunu. amplifikatörün çıkış sabit akım tarama modunda yüzeyi üzerinde uç yüksekliği düzenleyen STM geribildirim (FB) döngü içine beslenir. (TFS salınım kapalı) ile kavşak kararlılığı 1-3 pm. TFS piezoelektrik titreşim sinyali iki aşamada yükseltilir: LN ₂ kalkan sabit (1) Pre amplifikatör (kazanç 1 x 10 ⁸ V / A, bant genişliği 20 kHz) ve 1 değişken kazanç ile (2) harici voltaj yükseltici x 10 ^{1 4} 10 x 5, 1 MHz'lik bir bant genişliği.

ekran (HMD) monte edilen hareket yakalama sistemi (MCS), uzaktan kontrol edilebilen çok kanallı gerilim kaynağı (RVS), toplanmasıyla amplifikatör ve sanal gerçeklik kafası: HCM deneyler için, SPM kurulumu ile genişletilmiştir. summi hariç listelenen tüm aygıtlarıng amplifikatör ticari elde edildi.

MSC 100 Hz bir hızda mekansal yer değiştirme milimetre çözünürlüğü sağlayan bir kızılötesi (IR) markör izleme sistemidir. Sistem iki IR kamera oluşur bir izlenebilir bir nesne (TO) ve kontrol yazılımı. MCS yazılım iki kamera ile elde edilen kendi görüntüleri analiz ederek 3 boyutlu uzayda TO x, y, z koordinatları alır. MCS ayrı bir yazılım programında TO koordinatlarının kullanımına izin veren bir programlama kütüphanesi sağlar.

TO koordinatları (x _İÇİN, y _{İÇİN, TO} z) geliştirilmiş özel bir yazılım programı "TipControl" geçirilir. 4 grafik kullanıcı arayüzünün bir ekran görüntüsünü göstermektedir. yazılım penceresinde "start" tuşu ile aktive edilir. Aktivasyon sonra (τ = 0) yazılım tüm v _x setleri – v _y – v _z gerilim aralığı ± 10 V 16 de (RVS üzerinde -voltagesAşağıdaki ifadeye göre bit çözünürlük, gerilim adım başına 50 milisaniye gecikme) vb c _x, c _y c _z SPM ucu 1 Å deplasman haline TO deplasman 5 cm dönüştürmek faktör olduğu. Faktörleri _{p, x} (t), sayfa _y (t), p ₌ (t) X durumu ile tanımlanan değerlere sahiptir, y, yazılım penceresinde Z onay kutuları. kutu daha sonra ilgili p (t) işaretli ise "pause" düğmesine yazılım penceresinde basıldığında anda 0'a ayarlanır 1'e Tüm p (t) ayarlanır. Bu geçici ucunun konumunu "dondurmak" etmesine imkan verir. Yazılım penceresinde "Tüm reset" düğmesine basıldığında v _x setleri – v _y – v _z SPM yazılım tarafından tanımlanan ilk konumuna ucu döner sıfıra -voltages. Yazılım penceresi ca metin alanı "RVS manuel komutu" v – _y – n v _x herhangi ayarlamak için kullanılabilir v – _y – v _z ± 10 V v _x izin verilen aralıkta herhangi bir değere -voltages v _z eklenen RVS tarafından oluşturulan -voltages u _x – u _y -, bir toplama amplifikatör aracılığıyla SPM elektronik u _z -Çıktı gerilim sinyalleri (1 bant genişliği 50 kHz çıkış aralığı ± 10 V kazanç).

Şekil arayüzü penceresinin 4. ekran görüntüsü. İki göstergeleri MCS ve RVS sistemleri ile bağlantısının durumunu gösterir. Checkboxes seçilen mekansal eksenler boyunca el kontrolünü etkinleştirmek için kullanılır. Düğme "Başlat" Şekil gösterilen şemaya göre MCS, TipControl ve RVS arasındaki veri akışını başlatır 3. Düğme "Pause" veri akışını durdurur. Düğme "Tümünü Sıfırla" sıfıra gerilimleri tüm RVS ayarlar.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg" target = "_ blank"> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Deneysel veri görselleştirme için (uç yörünge, ben, mesafe kadar taşınmış) bir kafa monte ekran (HMD) kullanılır. HMD stereoskopik görünümü (- her bir göz için bir buçuk, 75 Hz 1920 x 1080 piksel bölünmüş HD ekran) sağlar. Özel bir IR kamera HMD yüzeyinde sabit IR LED kullanarak 3D uzayda HMD konumunu ve yönünü izler. HMD izleme sistemi operatörü kendi başının dönüş ya da sadece vücutlarını hareket ettirerek 3D sanal gerçeklik sahnesi içindeki görünümünü değiştirmek için izin verir.

özel olarak yazılmış bir yazılım "VRinterface", SPM ve MCS hem veri toplar OpenGL kullanarak 3D sahne onu işler ve HMDS yazılım geliştirme kiti (SDK) yardımı ile HMD görüntüler. VRinterface doğrudan ucu gerçek x-, y, z koordinatları alırI ve mesafe kadar taşınmış sinyalleri SPM elektronik (gecikme ≈ 250 msn) çıktılarından doğrudan okunurken uç yazılım (birkaç milisaniye gecikme). Şekil 5 HCM sırasında HMD giyen operatör tarafından görüldüğü gibi 3D sanal sahnenin bir ekran görüntüsünü gösterir. 3D sanal sahnenin İç ucu apeks beyaz küre olarak işlenir. Kaydedilen ucu yörüngeleri boyama ya da log (I (x, y, z)) ya da kadar taşınmış (x, y, z) değerlerini gösterir. log arasındaki (I (x, y, z)) ya da mesafe kadar taşınmış (x, y, z) renk modları arasında geçiş bir tuşa basın tarafından yapılır. Başka bir düğme kayıt (ve görüntüleme) deneysel uç yörünge verilerinin başlatır. Tekrar basıldığında düğme kaydı durdurur. görselcekrandaki da manipülasyon sırasında görsel bir yardım olarak kullanılan statik PTCDA molekülünü göstermektedir. operatör klavyedeki tuşları kullanarak yüzeyde gerçek molekülün yönünü uyacak şekilde elle yönünü hizalar.

Dikkat: Çünkü kafa tHMD bozucu, aynı zamanda TO konumunu izlemek için kızılötesi ışık kullanır çünkü MCS engel olabilir, IR-LED dayanır. Bu nedenle, MCS tarafından tanınan özel bir şekle sahip olması gerekir. Bu MCS TO ve HMD IR-LED gelenler gelen sinyaller arasında ayrım yardımcı olur.

3D sanal sahnenin Şekil 5. S creenshot HKM'de sırasında HMD operatör görüntülenen. Beyaz kürelerin bir dizi model Ag (111) yüzey oluşturur. Model yüzeyinin Oryantasyon mutlaka numune yönlendirme ile aynı olmayabilir. PTCDA molekülünün bir model modeli yüzeyi üzerinde yerleştirilir. C, O PTCDA H atomuna denk gelecek biçimde siyah, kırmızı ve beyaz ile gösterilmektedir. Model molekülünün kolaylık azimut yönlendirme amacıyla seçilen gerçek molekülün yönünü uyacak şekilde ayarlanabilirmanipülasyon için. ucu pozisyonu dış uç apeks atomu temsil eden tek beyaz küre ile işaretlenir. Gerçek zaman (x, y, z) ve mesafe kadar taşınmış (x, y, z) verileri ucu yanına çubuk göstergesi olarak gösterildi. yürütülmekte manipülasyonlar rengini temsil eder 3B yörüngeleri olarak görüntülenir, daha önce daha kaydedilir ya da log (I (x, y, z)) ya da yörüngenin karşılık gelen pozisyonlarda ölçülen mesafe kadar taşınmış (x, y, z) aracılığıyla aktarılır. Şekil log (I (x, y, z)) sinyali ile boyanmaktadır yörüngelerini gösterir. Renk kontrastı log (I (x, y, z)) ve mesafe kadar taşınmış (x, y, z) bir düğmeye basın tarafından modlar arasında geçiş yapılabilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.