Attività del corso: Microscopia a scansione di sonda. Microscopia con sonda a scansione Stato attuale e sviluppo della microscopia con sonda a scansione

introduzione

Attualmente, la direzione scientifica e tecnica - le nanotecnologie - si sta sviluppando rapidamente, coprendo un'ampia gamma di ricerca sia fondamentale che applicata. Si tratta di una tecnologia fondamentalmente nuova in grado di risolvere problemi in aree così diverse come le comunicazioni, la biotecnologia, la microelettronica e l'energia. Oggi più di cento giovani aziende stanno sviluppando prodotti nanotecnologici che entreranno nel mercato nei prossimi due o tre anni.

Le nanotecnologie diventeranno le tecnologie leader nel 21° secolo e contribuiranno allo sviluppo dell'economia e della sfera sociale della società, possono diventare un prerequisito per una nuova rivoluzione industriale. Nei duecento anni precedenti, il progresso della rivoluzione industriale è stato realizzato al costo di circa l'80% delle risorse della terra. Le nanotecnologie ridurranno significativamente il volume del consumo di risorse e non eserciteranno pressioni sull'ambiente, svolgeranno un ruolo di primo piano nella vita dell'umanità, poiché, ad esempio, il computer è diventato parte integrante della vita delle persone.

I progressi nella nanotecnologia sono stati stimolati dallo sviluppo di metodi sperimentali di ricerca, i più informativi dei quali sono i metodi di microscopia a scansione di sonda, la cui invenzione e distribuzione il mondo deve in particolare ai premi Nobel del 1986 - il professor Heinrich Rohrer e il dott. Gerd Binnig.

Il mondo è rimasto affascinato dalla scoperta di metodi così semplici per visualizzare gli atomi e persino dalla capacità di manipolarli. Molti gruppi di ricerca hanno iniziato a progettare dispositivi fatti in casa e sperimentare in questa direzione. Di conseguenza, sono nati numerosi schemi di dispositivi convenienti, sono stati proposti vari metodi per visualizzare i risultati dell'interazione sonda-superficie, come: microscopia a forza laterale, microscopia a forza magnetica, microscopia per la registrazione di interazioni magnetiche, elettrostatiche ed elettromagnetiche. I metodi di microscopia ottica in campo vicino sono stati sviluppati in modo intensivo. Sono stati sviluppati metodi per un'azione diretta e controllata nel sistema sonda-superficie, ad esempio la nanolitografia: i cambiamenti si verificano sulla superficie sotto l'azione di influenze elettriche, magnetiche, deformazioni plastiche e luce nel sistema sonda-superficie. Sono state create tecnologie per la produzione di sonde con parametri geometrici specificati, con rivestimenti e strutture speciali per la visualizzazione di varie proprietà superficiali.

La microscopia a scansione di sonda (SPM) è uno dei potenti metodi moderni per lo studio della morfologia e delle proprietà locali di una superficie solida con un'elevata risoluzione spaziale. Negli ultimi 10 anni, la microscopia a scansione con sonda si è evoluta da una tecnica esotica disponibile solo per un numero limitato di gruppi di ricerca in uno strumento ampiamente utilizzato e utilizzato con successo per lo studio delle proprietà della superficie. Al momento, praticamente nessuna ricerca nel campo della fisica delle superfici e delle tecnologie a film sottile è completa senza l'uso dei metodi SPM. Lo sviluppo della microscopia con sonda a scansione è servito anche come base per lo sviluppo di nuovi metodi nella nanotecnologia, la tecnologia per la creazione di strutture con scale nanometriche.

1. Cenni storici

Per osservare piccoli oggetti, l'olandese Anthony van Leeuwenhoek inventò il microscopio nel XVII secolo, scoprendo il mondo dei microbi. I suoi microscopi erano imperfetti e fornivano ingrandimenti da 150 a 300 volte. Ma i suoi seguaci hanno migliorato questo dispositivo ottico, gettando le basi per molte scoperte in biologia, geologia e fisica. Tuttavia, alla fine del XIX secolo (1872), l'ottico tedesco Ernst Karl Abbe dimostrò che a causa della diffrazione della luce, la risoluzione del microscopio (cioè la distanza minima tra gli oggetti quando non si fondono ancora in una immagine) è limitato dalla lunghezza d'onda della luce (0,4 - 0,8 µm). Così, ha risparmiato molti sforzi di ottici che hanno cercato di realizzare microscopi più avanzati, ma ha deluso biologi e geologi che hanno perso la speranza di ottenere uno strumento con un ingrandimento superiore a 1500x.

La storia della creazione del microscopio elettronico è un meraviglioso esempio di come i campi della scienza e della tecnologia in via di sviluppo indipendente possano, scambiando le informazioni ricevute e unendo gli sforzi, creare un nuovo potente strumento per la ricerca scientifica. L'apice della fisica classica era la teoria del campo elettromagnetico, che spiegava la propagazione della luce, l'emergere di campi elettrici e magnetici, il movimento delle particelle cariche in questi campi come la propagazione delle onde elettromagnetiche. L'ottica ondulatoria ha chiarito il fenomeno della diffrazione, il meccanismo di formazione dell'immagine e il gioco dei fattori che determinano la risoluzione in un microscopio ottico. Dobbiamo i successi nel campo della fisica teorica e sperimentale alla scoperta dell'elettrone con le sue proprietà specifiche. Questi sviluppi separati e apparentemente indipendenti portarono alla creazione delle basi dell'ottica elettronica, una delle cui applicazioni più importanti fu l'invenzione dell'EM negli anni '30. Un indizio diretto di questa possibilità può essere considerata l'ipotesi della natura ondulatoria dell'elettrone, avanzata nel 1924 da Louis de Broglie e confermata sperimentalmente nel 1927 da K. Davisson e L. Germer negli USA e J. Thomson in Inghilterra. È stata quindi suggerita un'analogia che ha permesso di costruire un EM secondo le leggi dell'ottica ondulatoria. H. Bush ha scoperto che le immagini elettroniche possono essere formate utilizzando campi elettrici e magnetici. Nei primi due decenni del 20° secolo sono stati inoltre creati i prerequisiti tecnici necessari. I laboratori industriali che lavoravano su un oscilloscopio a raggi catodici fornivano tecnologia del vuoto, sorgenti stabili di alta tensione e corrente e buoni emettitori di elettroni.

Nel 1931 R. Rudenberg depositò una domanda di brevetto per un microscopio elettronico a trasmissione e nel 1932 M. Knoll ed E. Ruska costruirono il primo microscopio di questo tipo, utilizzando lenti magnetiche per focalizzare gli elettroni. Questo strumento è stato il precursore del moderno microscopio elettronico a trasmissione ottica (OTEM). (Ruska è stato premiato per il suo lavoro vincendo il Premio Nobel per la fisica nel 1986.) Nel 1938, Ruska e B. von Borris costruirono un prototipo industriale OPEM per Siemens-Halske in Germania; questo strumento alla fine ha permesso di raggiungere una risoluzione di 100 nm. Alcuni anni dopo, A. Prebus e J. Hiller costruirono il primo OPEM ad alta risoluzione presso l'Università di Toronto (Canada).

Le ampie possibilità dell'OPEM sono emerse quasi immediatamente. La sua produzione industriale è stata avviata contemporaneamente da Siemens-Halske in Germania e RCA Corporation negli Stati Uniti. Alla fine degli anni '40, altre aziende iniziarono a produrre tali dispositivi.

Il SEM nella sua forma attuale è stato inventato nel 1952 da Charles Otley. È vero, le versioni preliminari di un tale dispositivo furono costruite da Knoll in Germania negli anni '30 e da Zworykin con i dipendenti della società RCA negli anni '40, ma solo il dispositivo Otley poteva fungere da base per una serie di miglioramenti tecnici che culminarono nel introduzione in produzione di una versione industriale del SEM a metà degli anni '60. La cerchia dei consumatori di un dispositivo così facile da usare con un'immagine tridimensionale e un segnale di uscita elettronico si è espansa con la velocità di un'esplosione. Attualmente, ci sono una dozzina di produttori di SEM industriali in tre continenti e decine di migliaia di tali dispositivi utilizzati nei laboratori di tutto il mondo.Negli anni '60, sono stati sviluppati microscopi ad altissima tensione per studiare campioni più spessi., dove un dispositivo con una tensione accelerata di 3,5 milioni di volt è stato messo in funzione nel 1970. RTM è stato inventato da G. Binnig e G. Rohrer a Zurigo nel 1979. Questo dispositivo molto semplice fornisce la risoluzione atomica delle superfici Binnig e Rohrer (contemporaneamente a Ruska) hanno ricevuto il Premio Nobel per la creazione del RTM.

Il microscopio a sonda a scansione è stato inventato nel 1986 da Rohrer e Binnig. Sin dalla sua invenzione, STM è stato ampiamente utilizzato da scienziati di varie specialità, coprendo quasi tutte le discipline delle scienze naturali, dalla ricerca fondamentale in fisica, chimica, biologia, a specifiche applicazioni tecnologiche. Il principio di funzionamento dell'STM è così semplice e le possibilità potenziali sono così grandi che è impossibile prevederne l'impatto sulla scienza e sulla tecnologia anche nel prossimo futuro.

Come si è scoperto in seguito, quasi tutte le interazioni della sonda di punta con la superficie (meccanica, magnetica) possono essere convertite in un'immagine della superficie con l'aiuto di strumenti e programmi per computer appropriati.

L'installazione di un microscopio a sonda a scansione è costituita da diversi blocchi funzionali mostrati in Fig. 1. Si tratta, in primo luogo, del microscopio stesso con un piezomanipolatore per il controllo della sonda, un convertitore corrente-tensione a tunnel e un motore passo-passo per l'alimentazione del campione; blocco di convertitori analogico-digitale e digitale-analogico e amplificatori ad alta tensione; unità di controllo del motore passo-passo; una scheda con un processore di segnale che calcola il segnale di feedback; un computer che raccoglie informazioni e fornisce un'interfaccia utente. Strutturalmente, il blocco di DAC e ADC è installato nella stessa custodia con l'unità di controllo del motore passo-passo. La scheda con il processore di segnale (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 di Analog Devices è installata nello slot di espansione ISA di un personal computer.

Una vista generale del sistema meccanico del microscopio è mostrata in fig. 2. Il sistema meccanico comprende una base con un piezomanipolatore e un sistema di alimentazione del campione fluido su un motore passo-passo con un riduttore e due teste di misura rimovibili per il funzionamento in modalità di scansione a tunnel e di microscopia a forza atomica. Il microscopio consente di ottenere una risoluzione atomica stabile su superfici di prova tradizionali senza l'uso di filtri sismici e acustici aggiuntivi.

2. Principi di funzionamento dei microscopi con sonda a scansione

Nei microscopi a scansione di sonda, lo studio del microrilievo superficiale e delle sue proprietà locali viene effettuato utilizzando sonde appositamente preparate sotto forma di aghi. La parte di lavoro di tali sonde (la punta) ha una dimensione di circa dieci nanometri. La distanza caratteristica tra la sonda e la superficie del campione nei microscopi a sonda è di 0,1 – 10 nm in ordine di grandezza. Il funzionamento dei microscopi a sonda si basa su vari tipi di interazione tra la sonda e la superficie. Pertanto, il funzionamento di un microscopio tunneling si basa sul fenomeno della corrente di tunneling che scorre tra un ago metallico e un campione conduttore; vari tipi di interazione di forza sono alla base del funzionamento dei microscopi a forza atomica, forza magnetica e forza elettrica. Consideriamo le caratteristiche comuni inerenti ai vari microscopi a sonda. Lascia che l'interazione della sonda con la superficie sia caratterizzata da un parametro P. Se esiste una dipendenza sufficientemente netta e uno a uno del parametro P dalla distanza sonda-campione, allora questo parametro può essere utilizzato per organizzare un feedback sistema (FS) che controlla la distanza tra la sonda e il campione. Sulla fig. 3 mostra schematicamente il principio generale dell'organizzazione del feedback SPM.

Il sistema di feedback mantiene costante il valore del parametro Р, uguale al valore specificato dall'operatore. Se cambia la distanza sonda-superficie, cambia il parametro P. Nel sistema OS viene generato un segnale differenziale proporzionale al valore ΔP = P - P, che viene amplificato al valore desiderato e alimentato all'attuatore di l'IE. L'elemento di azionamento soddisfa questo segnale di differenza avvicinando la sonda alla superficie o allontanandola fino a quando il segnale di differenza diventa zero. in questo modo la distanza sonda-campione può essere mantenuta con grande precisione. Quando la sonda si sposta lungo la superficie del campione, il parametro di interazione P cambia a causa della topografia della superficie. Il sistema OS elabora queste modifiche, in modo che quando la sonda si sposta sul piano X, Y, il segnale sull'elemento di azionamento risulta essere proporzionale alla topografia della superficie. Per ottenere immagini SPM, viene eseguito un processo appositamente organizzato di scansione di un campione. Durante la scansione, la sonda si sposta prima sul campione lungo una determinata linea (scansione lineare), mentre il valore del segnale sull'elemento di azionamento, proporzionale alla topografia della superficie, viene registrato nella memoria del computer. Quindi la sonda torna al punto iniziale e passa alla linea di scansione successiva (scansione frame) e il processo viene ripetuto di nuovo. Il segnale di feedback registrato in questo modo durante la scansione viene elaborato da un computer, quindi l'immagine SPM della topografia della superficie viene costruita utilizzando la computer grafica. Insieme allo studio della topografia superficiale, i microscopi a sonda consentono di studiare varie proprietà della superficie: meccaniche, elettriche, magnetiche, ottiche e altre.

3. Elementi di scansione (scanner) di microscopi a sonda

3.1 Scansione di elementi

Per utilizzare i microscopi a sonda, è necessario controllare la distanza di lavoro sonda-campione e spostare la sonda nel piano del campione con elevata precisione (a livello di frazioni di un angstrom). Questo problema viene risolto con l'aiuto di manipolatori speciali: elementi di scansione (scanner). Gli elementi di scansione dei microscopi a sonda sono realizzati in piezoelettrico, materiali con proprietà piezoelettriche. I piezoelettrici cambiano le loro dimensioni in un campo elettrico esterno. L'equazione per l'effetto piezoelettrico inverso per i cristalli è scritta come:

dove u è il tensore di deformazione, E sono le componenti del campo elettrico e d sono le componenti del tensore del coefficiente piezoelettrico. La forma del tensore del coefficiente piezoelettrico è determinata dal tipo di simmetria cristallina.

In varie applicazioni tecniche, i trasduttori realizzati con materiali piezoceramici sono ampiamente utilizzati. La piezoceramica è un materiale policristallino polarizzato ottenuto sinterizzando polveri da ferroelettrici cristallini. La polarizzazione della ceramica viene eseguita come segue. Le ceramiche vengono riscaldate al di sopra della temperatura di Curie (per la maggior parte delle piezoceramiche, questa temperatura è inferiore a 300°C) e quindi raffreddate lentamente in un campo elettrico forte (circa 3 kV/cm). Dopo il raffreddamento, la piezoceramica ha indotto la polarizzazione e acquisisce la capacità di modificarne le dimensioni (aumento o diminuzione a seconda della direzione reciproca del vettore di polarizzazione e del vettore del campo elettrico esterno).

Gli elementi piezoelettrici tubolari sono ampiamente utilizzati nella microscopia con sonda a scansione (Fig. 4). Consentono di ottenere spostamenti di oggetti sufficientemente grandi a tensioni di controllo relativamente piccole. Gli elementi piezoelettrici tubolari sono cilindri cavi a parete sottile realizzati con materiali piezoceramici. Tipicamente, gli elettrodi sotto forma di sottili strati di metallo vengono depositati sulle superfici esterna ed interna del tubo, mentre le estremità del tubo rimangono non rivestite.

Sotto l'influenza della differenza di potenziale tra gli elettrodi interno ed esterno, il tubo cambia le sue dimensioni longitudinali. In questo caso, la deformazione longitudinale sotto l'azione di un campo elettrico radiale può essere scritta come:

dove l è la lunghezza del tubo nello stato indeformato. L'allungamento assoluto del piezotube è

dove h è lo spessore della parete del piezotube, V è la differenza di potenziale tra gli elettrodi interno ed esterno. Pertanto, a parità di tensione V, l'allungamento del tubo sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la sua lunghezza e minore sarà lo spessore della sua parete.

Il collegamento di tre tubi in un nodo consente di organizzare i movimenti di precisione della sonda del microscopio in tre direzioni reciprocamente perpendicolari. Tale elemento di scansione è chiamato treppiede.

Gli svantaggi di un tale scanner sono la complessità della produzione e la forte asimmetria del design. Ad oggi, nella microscopia a scansione di sonda, gli scanner basati su un singolo elemento tubolare sono i più utilizzati. La vista generale dello scanner tubolare e la disposizione degli elettrodi sono mostrati in fig. 5. Il materiale del tubo ha una direzione radiale del vettore di polarizzazione.

L'elettrodo interno è solitamente solido. L'elettrodo esterno dello scanner è diviso lungo le generatrici del cilindro in quattro sezioni. Quando le tensioni antifase vengono applicate a sezioni opposte dell'elettrodo esterno (rispetto a quello interno), la sezione del tubo si contrae nel punto in cui la direzione del campo coincide con la direzione della polarizzazione e si verifica un allungamento dove sono dirette in direzioni opposte. Questo fa sì che il tubo si pieghi nella direzione appropriata. Pertanto, la scansione viene eseguita sul piano X, Y. Una variazione del potenziale dell'elettrodo interno rispetto a tutte le sezioni esterne porta ad un allungamento o contrazione del tubo lungo l'asse Z. Pertanto, è possibile organizzare un tre -scanner di coordinate basato su un singolo piezotube. Gli elementi di scansione reali hanno spesso un design più complesso, ma i principi del loro funzionamento rimangono gli stessi.

Anche gli scanner basati su elementi piezoelettrici bimorfi sono ampiamente utilizzati. Un bimorfo è costituito da due piastre piezoelettriche incollate insieme in modo tale che i vettori di polarizzazione in ciascuna di esse siano diretti in direzioni opposte (Fig. 6). Se viene applicata tensione agli elettrodi bimorfi, come mostrato in Fig. 6, quindi una delle piastre si espanderà e l'altra si restringerà, il che porterà alla flessione dell'intero elemento. Nei progetti reali di elementi bimorfi, viene creata una differenza di potenziale tra gli elettrodi interni comuni ed esterni in modo che in un elemento il campo coincida con la direzione del vettore di polarizzazione e nell'altro sia diretto in modo opposto.

La flessione bimorfa sotto l'azione dei campi elettrici è la base per il funzionamento dei piezoscanner bimorfi. Combinando tre elementi bimorfi in un'unica costruzione, è possibile implementare un treppiede su elementi bimorfi.

Se gli elettrodi esterni dell'elemento bimorfico sono divisi in quattro settori, allora è possibile organizzare il movimento della sonda lungo l'asse Z e nel piano X, Y su un elemento bimorfico (Fig. 7).

Infatti, applicando tensioni antifase a coppie opposte di sezioni di elettrodi esterni, è possibile piegare il bimorfo in modo che la sonda si muova sul piano X, Y (Fig. 7 (a, b)). E modificando il potenziale dell'elettrodo interno rispetto a tutte le sezioni degli elettrodi esterni, è possibile piegare il bimorfo spostando la sonda nella direzione Z (Fig. 7 (c, d)).

3.2 Non linearità della piezoceramica

Nonostante una serie di vantaggi tecnologici rispetto ai cristalli, la piezoceramica presenta alcuni svantaggi che influiscono negativamente sul funzionamento degli elementi di scansione. Uno di questi inconvenienti è la non linearità delle proprietà piezoelettriche. Sulla fig. 8, a titolo di esempio, è mostrata la dipendenza dello spostamento del piezotubo nella direzione Z dall'ampiezza del campo applicato. Nel caso generale (soprattutto ad alti campi di controllo), le piezoceramiche sono caratterizzate da una dipendenza non lineare delle deformazioni dal campo (o dalla tensione di controllo).

Pertanto, la deformazione di una piezoceramica è una funzione complessa di un campo elettrico esterno:

Per piccoli campi di controllo, questa dipendenza può essere rappresentata nella forma seguente:

u = d* E+ α* E*E+…

dove d e α sono moduli lineari e quadratici dell'effetto piezoelettrico.

I valori tipici dei campi E, in corrispondenza dei quali iniziano a manifestarsi effetti non lineari, sono dell'ordine di 100 V/mm. Pertanto, per il corretto funzionamento degli elementi di scansione, i campi di controllo vengono solitamente utilizzati nella regione di linearità della ceramica (E< Е) .

microscopio elettronico a sonda a scansione

3.3 Isteresi piezo-ceramica e isteresi piezo-ceramica

Un altro svantaggio della piezoceramica è il cosiddetto creep (creep - creep) - un ritardo nella risposta a una variazione dell'ampiezza del campo elettrico di controllo.

Lo scorrimento porta a distorsioni geometriche associate a questo effetto nelle immagini SPM. Lo scorrimento è particolarmente forte quando gli scanner vengono portati in un determinato punto per misurazioni locali e nelle fasi iniziali del processo di scansione. Per ridurre l'effetto del creep ceramico, in questi processi vengono applicati ritardi che consentono di compensare parzialmente il ritardo dello scanner.

Un altro svantaggio della piezoceramica è l'ambiguità della dipendenza dell'allungamento dalla direzione del cambiamento nel campo elettrico (isteresi).

Ciò porta al fatto che, alle stesse tensioni di controllo, la piezoceramica si trova in punti diversi della traiettoria, a seconda della direzione del movimento. Per escludere distorsioni delle immagini SPM dovute all'isteresi della piezoceramica, le informazioni vengono registrate durante la scansione dei campioni solo su uno dei rami della dipendenza.

4. Dispositivi per il movimento di precisione della sonda e del campione

4.1 Riduttori meccanici

Uno dei problemi tecnici importanti nella microscopia a scansione con sonda è la necessità di un movimento preciso della sonda e del campione per formare lo spazio di lavoro del microscopio e selezionare l'area della superficie da studiare. Per risolvere questo problema, vengono utilizzati vari tipi di dispositivi che spostano gli oggetti con un'elevata precisione. Sono ampiamente utilizzati vari cambi meccanici, in cui il movimento grossolano del motore iniziale corrisponde al movimento fine dell'oggetto spostato. I modi per ridurre gli spostamenti possono essere diversi. Sono ampiamente utilizzati dispositivi a leva, in cui viene effettuata la riduzione della quantità di movimento a causa della differenza di lunghezza dei bracci delle leve. Lo schema del cambio a leva è mostrato in fig. 9.

La leva meccanica permette di ottenere una riduzione della cilindrata con un coefficiente

Pertanto, maggiore è il rapporto tra il braccio L e il braccio l, più accuratamente è possibile controllare il processo di avvicinamento alla sonda e al campione.

Inoltre, nei progetti di microscopi, sono ampiamente utilizzati riduttori meccanici, in cui la riduzione degli spostamenti si ottiene a causa della differenza dei coefficienti di rigidità di due elementi elastici collegati in serie (Fig. 10). Il design è costituito da una base rigida, una molla e una trave elastica. La rigidezza della molla k e della trave elastica K sono selezionate in modo tale che sia soddisfatta la seguente condizione: k< K .

Il fattore di riduzione è uguale al rapporto tra i coefficienti di rigidezza degli elementi elastici:

Pertanto, maggiore è il rapporto tra la rigidità del raggio e la rigidità della molla, più precisamente può essere controllato lo spostamento dell'elemento di lavoro del microscopio.

4.2 Motori passo-passo

I motori passo-passo (SHED) sono dispositivi elettromeccanici che convertono gli impulsi elettrici in movimenti meccanici discreti. Un importante vantaggio dei motori passo-passo è che forniscono una dipendenza inequivocabile della posizione del rotore dagli impulsi di corrente in ingresso, in modo che l'angolo di rotazione del rotore sia determinato dal numero di impulsi di controllo. Nello SHED, la coppia è generata dai flussi magnetici generati dai poli dello statore e del rotore, che sono opportunamente orientati l'uno rispetto all'altro.

I modelli più semplici sono motori a magneti permanenti. Sono costituiti da uno statore dotato di avvolgimenti e da un rotore contenente magneti permanenti. Sulla fig. 11 mostra un progetto semplificato di un motore passo-passo.

I poli alternati del rotore hanno forma rettilinea e sono paralleli all'asse del motore. Il motore mostrato in figura ha 3 coppie di poli del rotore e 2 coppie di poli dello statore. Il motore ha 2 avvolgimenti indipendenti, ciascuno dei quali è avvolto su due poli opposti dello statore. il motore mostrato ha un passo di 30 gradi. Quando la corrente viene attivata in uno degli avvolgimenti, il rotore tende ad assumere una posizione in cui i poli opposti del rotore e dello statore sono uno di fronte all'altro. Per una rotazione continua, è necessario attivare alternativamente gli avvolgimenti.

In pratica si utilizzano motori passo-passo, che hanno un design più complesso e prevedono da 100 a 400 passi per giro del rotore. Se un tale motore è accoppiato con una connessione filettata, con un passo della filettatura di circa 0,1 mm, è garantita una precisione di posizionamento dell'oggetto di circa 0,25 - 1 micron. Per aumentare la precisione, vengono utilizzati cambi meccanici aggiuntivi. La possibilità di controllo elettrico permette di utilizzare efficacemente lo SHED in sistemi automatizzati di avvicinamento alla sonda e al campione di microscopi a scansione di sonda.

4.3 Motori passo-passo piezoelettrici

I requisiti per un buon isolamento dei dispositivi dalle vibrazioni esterne e la necessità di utilizzare i microscopi a sonda in condizioni di vuoto impongono serie restrizioni all'uso di dispositivi puramente meccanici per spostare la sonda e il campione. A questo proposito, i dispositivi basati su trasduttori piezoelettrici, che consentono il controllo a distanza del movimento degli oggetti, sono ampiamente utilizzati nei microscopi a sonda.

Uno dei progetti di un motore piezoelettrico inerziale passo-passo è mostrato in fig. 12. Questo dispositivo contiene una base (1) su cui è fissato un tubo piezoelettrico (2). Il tubo ha elettrodi (3) sulla superficie esterna e interna. All'estremità del tubo è fissata una molla divisa (4), che è un cilindro con petali elastici separati. Il portaoggetti (5) è installato in primavera: un cilindro piuttosto massiccio con una superficie lucida. L'oggetto da spostare può essere fissato al supporto con una molla o un dado a risvolto, che consente al dispositivo di lavorare con qualsiasi orientamento nello spazio.

Il dispositivo funziona come segue. Per spostare il portaoggetti nella direzione dell'asse Z, viene applicata una tensione pulsata a dente di sega agli elettrodi del piezotube (Fig. 13).

Sul bordo delicato della tensione a dente di sega, il tubo si allunga o si contrae dolcemente a seconda della polarità della tensione e la sua estremità, insieme alla molla e al portaoggetti, viene spostata di una distanza:

Nel momento in cui viene rilasciata la tensione a dente di sega, il tubo ritorna nella posizione originaria con accelerazione a, che inizialmente ha un valore massimo:

dove ω è la frequenza di risonanza delle oscillazioni longitudinali del tubo. Quando la condizione F< ma (m – масса держателя объекта, F - сила трения между держателем объекта и разрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзывает относительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается на некоторый шаг К Δl относительно исходного положения. Коэффициент К определяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезной пружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующем зондовом микроскопе .

5. Protezione dei microscopi a sonda da influenze esterne

5.1 Protezione dalle vibrazioni

Per proteggere i dispositivi dalle vibrazioni esterne, vengono utilizzati vari tipi di sistemi di isolamento dalle vibrazioni. Convenzionalmente, possono essere divisi in passivi e attivi. L'idea principale alla base dei sistemi di isolamento dalle vibrazioni passive è la seguente. L'ampiezza delle oscillazioni forzate di un sistema meccanico diminuisce rapidamente all'aumentare della differenza tra la frequenza della forza eccitante e la frequenza di risonanza naturale del sistema (una caratteristica ampiezza-frequenza (AFC) tipica di un sistema oscillatorio è mostrata in Fig. 14).

Pertanto, le influenze esterne con frequenze ω > ω non hanno praticamente alcun effetto evidente sul sistema oscillatorio. Pertanto, se la testa di misura di un microscopio a sonda è posizionata su una piattaforma antivibrante o su una sospensione elastica (Fig. 15), solo le vibrazioni esterne con frequenze prossime alla frequenza di risonanza del sistema antivibrante passeranno al corpo del microscopio. Poiché le frequenze naturali delle testine SPM sono 10–100 kHz, scegliendo la frequenza di risonanza del sistema di isolamento dalle vibrazioni sufficientemente bassa (dell'ordine di 5–10 Hz), è possibile proteggere efficacemente il dispositivo dalle vibrazioni esterne. Per smorzare le oscillazioni alle frequenze di risonanza naturali, nei sistemi di isolamento dalle vibrazioni vengono introdotti elementi dissipativi con attrito viscoso.

Pertanto, al fine di fornire una protezione efficace, è necessario che la frequenza di risonanza del sistema di isolamento dalle vibrazioni sia la più bassa possibile. Tuttavia, è difficile realizzare in pratica frequenze molto basse.

I sistemi attivi per la soppressione delle vibrazioni esterne vengono utilizzati con successo per proteggere le testine SPM. Tali dispositivi sono sistemi elettromeccanici con feedback negativo, che garantiscono una posizione stabile della piattaforma di isolamento dalle vibrazioni nello spazio (Fig. 16) .

5.2 Protezione dal rumore acustico

Un'altra fonte di vibrazione degli elementi strutturali dei microscopi a sonda è il rumore acustico di varia natura.

Una caratteristica dell'interferenza acustica è che le onde acustiche influenzano direttamente gli elementi strutturali delle teste SPM, il che porta a vibrazioni della sonda rispetto alla superficie del campione in studio. Per proteggere l'SPM dalle interferenze acustiche, vengono utilizzati vari cappucci protettivi per ridurre significativamente il livello di interferenza acustica nella regione dello spazio di lavoro del microscopio. La protezione più efficace contro le interferenze acustiche consiste nel posizionare la testa di misura del microscopio sonda in una camera a vuoto (Fig. 17) .

5.3 Stabilizzazione della deriva termica della posizione della sonda al di sopra della superficie

Uno dei problemi importanti dell'SPM è il problema della stabilizzazione della posizione della sonda sulla superficie del campione in studio. La principale fonte di instabilità della posizione della sonda è un cambiamento nella temperatura ambiente o il riscaldamento degli elementi strutturali del microscopio sonda durante il suo funzionamento. Una variazione della temperatura di un solido porta alla comparsa di deformazioni termoelastiche. Tali deformazioni hanno un effetto molto significativo sul funzionamento dei microscopi a sonda. Per ridurre la deriva termica, viene utilizzato il controllo della temperatura delle teste di misura SPM o vengono introdotti elementi di compensazione termica nel design delle teste. L'idea della compensazione termica è la seguente. Qualsiasi progetto SPM può essere rappresentato come un insieme di elementi con diversi coefficienti di dilatazione termica (Fig. 18 (a)).

Per compensare la deriva termica, nel progetto delle teste di misura SPM vengono introdotti elementi di compensazione con coefficienti di dilatazione differenti, in modo che sia soddisfatta la condizione che la somma delle dilatazioni termiche nei vari bracci della struttura sia uguale a zero:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Il modo più semplice per ridurre la deriva termica della posizione della sonda lungo l'asse Z consiste nell'introdurre nel progetto SPM elementi di compensazione dello stesso materiale e delle stesse dimensioni caratteristiche dei principali elementi strutturali (Fig. 18 (b)). Quando la temperatura di questo progetto cambia, lo spostamento della sonda nella direzione Z sarà minimo. Per stabilizzare la posizione della sonda nel piano X, Y, le teste di misura dei microscopi sono realizzate sotto forma di strutture assialsimmetriche.

6. Formazione ed elaborazione di immagini SPM

6.1 Processo di scansione

Il processo di scansione della superficie in un microscopio con sonda a scansione è simile al movimento di un raggio di elettroni attraverso uno schermo in un tubo a raggi catodici TV. La sonda si sposta lungo la linea (linea), prima in avanti e poi nella direzione opposta (scansione linea), quindi si sposta sulla linea successiva (scansione frame) (Fig. 19). Il movimento della sonda viene effettuato con l'ausilio di uno scanner a piccoli passi sotto l'azione di tensioni a dente di sega generate da convertitori digitale-analogico. La registrazione delle informazioni sulla topografia della superficie viene eseguita, di norma, su un passaggio rettilineo.

Le informazioni ottenute utilizzando un microscopio con sonda a scansione vengono archiviate come un frame SPM, una matrice bidimensionale di numeri interi a (matrice). Il significato fisico di questi numeri è determinato dal valore che è stato digitalizzato durante il processo di scansione. Ciascun valore della coppia di indici ij corrisponde a un certo punto della superficie all'interno del campo di scansione. Le coordinate dei punti della superficie vengono calcolate semplicemente moltiplicando l'indice corrispondente per la distanza tra i punti in cui sono state registrate le informazioni.

Di norma, i frame SPM sono matrici quadrate di dimensione 2 (principalmente 256x256 e 512x512 elementi). La visualizzazione dei frame SPM viene eseguita mediante computer grafica, principalmente sotto forma di immagini con luminosità tridimensionale (3D) e bidimensionale (2D). Nella visualizzazione 3D, l'immagine di una superficie è costruita in una prospettiva assonometrica utilizzando pixel o linee. Oltre a ciò, vengono utilizzati vari metodi per evidenziare i pixel corrispondenti a diverse altezze del rilievo superficiale. Il modo più efficace per colorare le immagini 3D è simulare le condizioni di illuminazione della superficie da una sorgente puntiforme situata in un punto dello spazio sopra la superficie (Fig. 20). In questo caso, è possibile sottolineare l'irregolarità su piccola scala del rilievo. Inoltre, per mezzo dell'elaborazione e della grafica del computer, vengono implementati il ​​ridimensionamento e la rotazione delle immagini SPM 3D. Nel rendering 2D, a ogni punto su una superficie viene assegnato un colore. Le più utilizzate sono le tavolozze dei gradienti, in cui la colorazione dell'immagine viene eseguita con una tonalità di un determinato colore in base all'altezza di un punto della superficie.

Le misurazioni SPM locali, di regola, sono associate alla registrazione delle dipendenze delle grandezze in studio su vari parametri. Ad esempio, queste sono le dipendenze della corrente elettrica attraverso il contatto sonda-superficie dalla tensione applicata, le dipendenze di vari parametri dell'interazione della forza tra la sonda e la superficie dalla distanza sonda-campione, ecc. Questa informazione viene memorizzata sotto forma di array vettoriali o sotto forma di matrici 2 x N. Per la loro visualizzazione Il software del microscopio fornisce una serie di strumenti standard per la visualizzazione dei grafici delle funzioni.

6.2 Metodi per la costruzione e l'elaborazione delle immagini

Quando si studiano le proprietà degli oggetti utilizzando la microscopia a scansione di sonda, il risultato principale della ricerca scientifica è, di regola, immagini tridimensionali della superficie di questi oggetti. L'adeguatezza dell'interpretazione delle immagini dipende dalle qualifiche dello specialista. Allo stesso tempo, durante l'elaborazione e la creazione di immagini, vengono utilizzate una serie di tecniche tradizionali, di cui dovresti essere a conoscenza durante l'analisi delle immagini. Il microscopio a sonda a scansione è apparso al momento dello sviluppo intensivo della tecnologia informatica. Pertanto, durante la registrazione di immagini tridimensionali, ha utilizzato metodi di archiviazione delle informazioni digitali sviluppati per i computer. Ciò ha comportato una notevole comodità nell'analisi e nell'elaborazione delle immagini, ma è stato necessario sacrificare la qualità fotografica inerente ai metodi di microscopia elettronica. Le informazioni ottenute utilizzando un microscopio a sonda sono rappresentate in un computer sotto forma di una matrice bidimensionale di numeri interi. Ciascun numero in questa matrice, a seconda della modalità di scansione, può essere il valore della corrente di tunnel, o il valore della deflessione, o il valore di qualche funzione più complessa. Se mostri questa matrice a una persona, non sarà in grado di avere un'idea coerente della superficie oggetto di studio. Quindi, il primo problema è convertire i numeri in una forma leggibile. Questo viene fatto nel modo seguente. I numeri nella matrice originale si trovano in un certo intervallo, ci sono valori minimo e massimo. A questo intervallo di numeri interi viene assegnata una tavolozza di colori. Pertanto, ogni valore della matrice viene mappato su un punto di un determinato colore su un'immagine rettangolare. La riga e la colonna che contengono questo valore diventano le coordinate del punto. Di conseguenza, otteniamo un'immagine in cui, ad esempio, l'altezza della superficie viene trasmessa a colori, come su una mappa geografica. Ma sulla mappa vengono solitamente utilizzate solo dozzine di colori e nella nostra immagine ce ne sono centinaia e migliaia. Per facilitare la percezione, i punti vicini in altezza dovrebbero essere trasmessi con colori simili. Può risultare, e di regola sempre, che l'intervallo dei valori iniziali sia maggiore del numero di colori possibili. In questo caso, c'è una perdita di informazioni e un aumento del numero di colori non è una via d'uscita, poiché le capacità dell'occhio umano sono limitate. È richiesta un'ulteriore elaborazione delle informazioni e, a seconda delle attività, l'elaborazione dovrebbe essere diversa. Alcune persone hanno bisogno di vedere l'intera immagine, mentre altre vogliono vedere i dettagli. Per questo vengono utilizzati vari metodi.

6.3 Sottrazione di pendenza costante

Le immagini di superficie scattate con i microscopi a sonda tendono ad avere una pendenza generale. Ciò può essere dovuto a diversi motivi. In primo luogo, la pendenza può apparire a causa del posizionamento impreciso del campione rispetto alla sonda; in secondo luogo, può essere associato alla deriva di temperatura, che porta ad uno spostamento della sonda rispetto al campione; in terzo luogo, potrebbe essere dovuto alla non linearità dei movimenti del piezoscanner. Una grande quantità di spazio utilizzabile nel frame SPM viene impiegata per visualizzare l'inclinazione, in modo che i piccoli dettagli dell'immagine diventino invisibili. Per eliminare questo inconveniente, viene eseguita l'operazione di sottrazione della pendenza costante. Per fare ciò, nella prima fase, il piano approssimativo viene trovato con il metodo dei minimi quadrati

Р(х,y), che ha deviazioni minime dalla topografia della superficie Z = f(x,y), quindi questo piano viene sottratto dall'immagine SPM. È opportuno effettuare la sottrazione in modi diversi, a seconda della natura della pendenza.

Se l'inclinazione nell'immagine SPM è dovuta all'inclinazione del campione rispetto al campione della sonda, è consigliabile ruotare il piano di un angolo corrispondente all'angolo tra la normale al piano e l'asse Z; in questo caso le coordinate della superficie Z = f(x,y) vengono trasformate secondo le trasformazioni della rotazione spaziale. Tuttavia, con questa trasformazione, è possibile ottenere un'immagine della superficie sotto forma di una funzione multivalore Z = f(x, y). Se la pendenza è dovuta alla deriva termica, la procedura per la sottrazione della pendenza si riduce alla sottrazione delle coordinate Z del piano dalle coordinate Z dell'immagine SPM:

Il risultato è una matrice con un intervallo di valori più piccolo e i dettagli fini nell'immagine verranno riflessi in più colori, diventando più visibili.

6.4 Eliminazione delle distorsioni associate a scanner non ideali

L'imperfezione delle proprietà dello scanner porta al fatto che l'immagine SPM contiene una serie di distorsioni specifiche. Alcune delle imperfezioni dello scanner, come il movimento irregolare in avanti e indietro dello scanner (isteresi), lo scorrimento e la non linearità della piezoceramica sono compensate dall'hardware e dalla scelta di modalità di scansione ottimali. Tuttavia, nonostante ciò, le immagini SPM contengono distorsioni difficili da eliminare a livello hardware. In particolare, poiché il movimento dello scanner nel piano del campione influisce sulla posizione della sonda sopra la superficie, le immagini SPM sono una sovrapposizione del rilievo reale e di alcune superfici del secondo (e spesso superiore) ordine.

Per eliminare questo tipo di distorsione, si usa il metodo dei minimi quadrati per trovare una superficie approssimata del secondo ordine Р(x,y), che ha deviazioni minime dalla funzione originale Z = f(x,y), e quindi questa superficie è sottratto dall'immagine SPM originale:

Un altro tipo di distorsione è associato alla non linearità e non ortogonalità dei movimenti dello scanner sul piano X, Y. Ciò porta a una distorsione delle proporzioni geometriche in diverse parti dell'immagine SPM della superficie. Per eliminare tali distorsioni, la procedura di correzione delle immagini SPM viene eseguita utilizzando un file di coefficienti di correzione, che viene creato durante la scansione di strutture di prova con un noto rilievo da parte di uno scanner specifico.

6.5 Filtraggio delle immagini SPM

Il rumore dell'apparecchiatura (principalmente il rumore degli amplificatori di ingresso altamente sensibili), l'instabilità del contatto sonda-campione durante la scansione, il rumore acustico esterno e le vibrazioni portano al fatto che le immagini SPM, insieme alle informazioni utili, hanno una componente di rumore. In parte il rumore delle immagini SPM può essere rimosso dal software.

6.6 Filtraggio mediano

Buoni risultati nella rimozione del rumore casuale ad alta frequenza nei frame SPM sono ottenuti dal filtraggio mediano. Questo è un metodo di elaborazione delle immagini non lineare, la cui essenza può essere spiegata come segue. Viene selezionata una finestra di filtro di lavoro, composta da nxn punti (per la definizione, prendiamo una finestra 3 x 3, cioè contenente 9 punti (Fig. 24)).

Durante il processo di filtraggio, questa finestra si sposta attraverso il fotogramma da un punto all'altro e viene eseguita la procedura seguente. I valori di ampiezza dell'immagine SPM nei punti di questa finestra sono disposti in ordine crescente e il valore al centro della riga ordinata viene posizionato nel punto centrale della finestra. Quindi la finestra viene spostata al punto successivo e la procedura di ordinamento viene ripetuta. Pertanto, potenti valori anomali casuali e cali in tale ordinamento finiscono sempre ai margini dell'array ordinato e non verranno inclusi nell'immagine finale (filtrata). Con questa elaborazione, le aree non filtrate rimangono ai bordi del fotogramma, che vengono scartate nell'immagine finale.

6.7 Metodi per ripristinare una superficie dalla sua immagine SPM

Uno degli svantaggi inerenti a tutti i metodi di microscopia a scansione con sonda è la dimensione finita della parte di lavoro delle sonde utilizzate. Ciò comporta un significativo deterioramento della risoluzione spaziale dei microscopi e significative distorsioni nelle immagini SPM durante la scansione di superfici con irregolarità in rilievo paragonabili alle dimensioni caratteristiche della parte di lavoro della sonda.

Infatti, l'immagine ottenuta nell'SPM è una "convoluzione" della sonda e della superficie in esame. Il processo di “convoluzione” della forma della sonda con il rilievo superficiale è illustrato nel caso unidimensionale di Fig. 25.

In parte, questo problema può essere risolto con metodi recentemente sviluppati per ricostruire le immagini SPM, basati sull'elaborazione computerizzata dei dati SPM, tenendo conto della forma specifica delle sonde. Il metodo più efficace di ricostruzione della superficie è il metodo di deconvoluzione numerica, che utilizza la forma della sonda ottenuta sperimentalmente durante la scansione di strutture di test (con una ben nota topografia superficiale).

Va notato che il ripristino completo della superficie del campione è possibile solo se sono soddisfatte due condizioni: la sonda ha toccato tutti i punti della superficie durante la scansione e in ogni momento la sonda ha toccato solo un punto della superficie. Se, tuttavia, la sonda non è in grado di raggiungere determinate aree della superficie durante la scansione (ad esempio, se il campione ha sezioni sporgenti del rilievo), si verifica solo un ripristino parziale del rilievo. Inoltre, maggiore è il numero di punti della superficie toccati dalla sonda durante la scansione, più affidabile sarà la ricostruzione della superficie.

In pratica, l'immagine SPM e la forma della sonda determinata sperimentalmente sono array bidimensionali di valori discreti, per i quali la derivata è una quantità poco definita. Pertanto, invece di calcolare in pratica la derivata di funzioni discrete, nella deconvoluzione numerica delle immagini SPM, viene utilizzata la condizione della distanza minima tra la sonda e la superficie quando si esegue la scansione con altezza media costante.

In questo caso, la distanza minima tra il punto della sonda e il punto della superficie corrispondente per una data posizione della sonda rispetto alla superficie può essere assunta come altezza del rilievo superficiale in un dato punto. Nella sua accezione fisica, questa condizione è equivalente alla condizione di uguaglianza delle derivate, tuttavia consente di ricercare i punti di contatto della sonda con la superficie con un metodo più adeguato, che riduce notevolmente i tempi di ricostruzione del rilievo.

Per calibrare e determinare la forma della parte di lavoro delle sonde, vengono utilizzate strutture di prova speciali con parametri noti del rilievo superficiale. In fig. 26 e fig. 27.

La griglia di ridimensionamento appuntita consente un buon allineamento della punta della sonda, mentre la griglia rettangolare aiuta a rimodellare la superficie laterale. Combinando i risultati della scansione di questi reticoli, è possibile ripristinare completamente la forma della parte di lavoro delle sonde.

7. SPM moderno

1) Microscopio a sonda a scansione SM-300

Progettato per studiare le caratteristiche morfologiche e la struttura dello spazio dei pori. L'SM-300 (Figura 28) ha un microscopio di posizionamento ottico integrato che elimina la necessità di cercare all'infinito un'area di interesse. Un'immagine ottica a colori del campione, con un leggero aumento, viene visualizzata sul monitor di un computer. Il mirino sull'immagine ottica corrisponde alla posizione del fascio di elettroni. Utilizzando il mirino, è possibile eseguire un posizionamento rapido per definire l'area di interesse per l'analisi raster.

Riso. 28. Microscopio elettronico SPM SM-300. L'unità di posizionamento ottico è dotata di un computer separato, che garantisce l'indipendenza dell'hardware dal microscopio a scansione.

CAPACITÀ SM-300

Risoluzione garantita di 4 nm

Microscopio di posizionamento ottico unico (opzionale)

· Software intuitivo per Windows®

Microscopio a scansione e imaging completamente controllati da computer

Uscita TV standard con elaborazione del segnale digitale

Controllo computerizzato del sistema a basso vuoto (opzione)

Tutti gli studi vengono eseguiti nella stessa posizione dell'asse applicato (12 mm)

Microanalisi elementare a raggi X in modalità basso e alto vuoto (opzionale)

Capacità di lavorare in condizioni di illuminazione normale della stanza

Indagine su campioni non conduttivi senza la loro preparazione preliminare

Risoluzione di 5,5 nm in modalità a basso vuoto

Controllo software delle modalità di commutazione

Gamma di vuoto della camera selezionabile 1,3 – 260 Pa

Visualizzazione di un'immagine sul monitor di un computer

Sensore Robinson con retrodiffusione a V seriale

2) Microscopio a sonda a scansione ad alta risoluzione Supra50VP con sistema di microanalisi INCA Energy+Oxford.

Il dispositivo (Fig. 29) è destinato alla ricerca in tutti i settori della scienza dei materiali, nel campo delle nanotecnologie e delle biotecnologie. Lo strumento gestisce campioni di grandi dimensioni e supporta anche il funzionamento a pressione variabile per testare campioni non conduttivi senza preparazione. Riso. 29. SPM Supra50VP

PARAMETRI:

Tensione di accelerazione 100 V - 30 kV (catodo ad emissione di campo)

Massimo ingrandimento fino a x 900000

Altissima risoluzione - fino a 1 nm (a 20 kV)

Modalità vuoto con pressione variabile da 2 a 133 Pa

Tensione di accelerazione - da 0,1 a 30 kV

Palcoscenico motorizzato con cinque gradi di libertà

Rivelatore EDX risoluzione 129 eV sulla linea Ka(Mn), velocità di conteggio fino a 100.000 impulsi/s

3) Microscopio modernizzato LEO SUPRA 25 con colonna "GEMINI" ed emissione di campo (Fig.30).

– Progettato per la ricerca sulla nanoanalisi

– Può essere collegato sia a sistemi EDX che WDX per microanalisi

– Risoluzione 1,5 nm a 20 kV, 2 nm a 1 kV.

Conclusione

Negli ultimi anni, l'uso della microscopia a sonda ha permesso di ottenere risultati scientifici unici in vari campi della fisica, della chimica e della biologia.

Se i primi microscopi con sonda a scansione erano indicatori per la ricerca qualitativa, il moderno microscopio con sonda a scansione è un dispositivo che integra fino a 50 diversi metodi di ricerca. È in grado di eseguire spostamenti specifici nel sistema sonda-campione con una precisione dello 0,1%, calcolare il fattore di forma della sonda, eseguire misurazioni di precisione di dimensioni sufficientemente grandi (fino a 200 µm nel piano di scansione e 15–20 µm in altezza) e, allo stesso tempo, fornire una risoluzione submolecolare.

I microscopi a scansione di sonda sono diventati una delle classi di strumenti più richieste per la ricerca scientifica sul mercato mondiale. Vengono costantemente creati nuovi progetti di strumenti, specializzati per varie applicazioni.

Lo sviluppo dinamico della nanotecnologia richiede un'espansione sempre maggiore delle capacità della tecnologia di ricerca. Le aziende high-tech di tutto il mondo stanno lavorando alla creazione di ricerca e nanocomplessi tecnologici che combinano interi gruppi di metodi analitici, come la spettroscopia Raman, la spettroscopia di luminescenza, la spettroscopia a raggi X per l'analisi elementare, la microscopia ottica ad alta risoluzione, la microscopia elettronica, fasci ionici focalizzati. I sistemi acquisiscono potenti capacità intellettuali: la capacità di riconoscere e classificare le immagini, evidenziare i contrasti richiesti, sono dotati della capacità di modellare i risultati e la potenza di calcolo è fornita dall'uso di supercomputer.

La tecnica sviluppata ha potenti possibilità, ma l'obiettivo finale del suo utilizzo è ottenere risultati scientifici. Padroneggiare le capacità di questa tecnica è di per sé un compito di alto grado di complessità, che richiede la formazione di specialisti altamente qualificati in grado di utilizzare efficacemente questi dispositivi e sistemi.

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7. Applicazione di un microscopio a sonda a scansione per lo studio di oggetti biologici

7. Applicazione di un microscopio a sonda a scansione per lo studio di oggetti biologici 1

7.1. Obiettivi del lavoro 2

7.2. Informazioni per l'insegnante 3

7.4. Linee guida 31

7.5. Sicurezza 32

7.6. Compito 32

7.7. Domande di sicurezza 32

7.8. Letteratura 32

Il lavoro di laboratorio è stato sviluppato dall'Università statale di Nizhny Novgorod. NI Lobachevskij

7.1 Obiettivi del lavoro

Lo studio dei parametri morfologici delle strutture biologiche è un compito importante per i biologi, poiché le dimensioni e la forma di alcune strutture determinano in gran parte le loro proprietà fisiologiche. Confrontando i dati morfologici con le caratteristiche funzionali, si possono ottenere informazioni complete sulla partecipazione delle cellule viventi al mantenimento dell'equilibrio fisiologico del corpo umano o animale.

In precedenza, biologi e medici avevano l'opportunità di studiare i loro preparati solo su microscopi ottici ed elettronici. Questi studi hanno fornito un quadro della morfologia delle cellule fissate, colorate e con sottili rivestimenti metallici ottenuti mediante sputtering. Non era possibile studiare la morfologia degli oggetti viventi, i suoi cambiamenti sotto l'influenza di vari fattori, ma era molto allettante.

La microscopia a scansione di sonda (SPM) ha aperto nuove possibilità nello studio di cellule, batteri, molecole biologiche e DNA in condizioni il più vicino possibile a quelle native. SPM consente di studiare oggetti biologici senza fissativi e coloranti speciali, nell'aria o anche in un mezzo liquido.

Attualmente, l'SPM è utilizzato in un'ampia varietà di discipline, sia nella ricerca scientifica fondamentale che negli sviluppi applicativi dell'alta tecnologia. Molti istituti di ricerca del paese sono dotati di apparecchiature per microscopia a sonda. A questo proposito, la richiesta di specialisti altamente qualificati è in costante crescita. Per soddisfare questo requisito, NT-MDT (Zelenograd, Russia) ha sviluppato un laboratorio didattico e scientifico specializzato per la microscopia a scansione di sonda NanoEducatore.

NanoEducatore SPM appositamente progettato per gli studenti per condurre il lavoro di laboratorio. Questo dispositivo è rivolto a un pubblico di studenti: è completamente controllato da un computer, ha un'interfaccia semplice e intuitiva, il supporto dell'animazione, prevede lo sviluppo graduale delle tecniche, l'assenza di impostazioni complesse e materiali di consumo poco costosi.

In questo lavoro di laboratorio imparerai la microscopia a scansione di sonda, conoscerai le sue basi, studierai il design e i principi della didattica NanoEducatore SPM, impara a preparare i preparati biologici per la ricerca, ottieni la tua prima immagine SPM di un complesso di batteri lattici e apprendi le basi dell'elaborazione e della presentazione dei risultati delle misurazioni.

7.2 Informazioni per l'insegnante 1

Il lavoro di laboratorio si svolge in più fasi:

1. La preparazione del campione viene eseguita individualmente da ogni studente.

2. L'acquisizione della prima immagine viene eseguita su un dispositivo sotto la supervisione di un insegnante, quindi ogni studente esamina il proprio campione in modo indipendente.

3. Il trattamento dei dati sperimentali da parte di ciascuno studente è effettuato individualmente.

Campione per la ricerca: batteri dell'acido lattico su un vetrino coprioggetto.

Prima di iniziare il lavoro, è necessario selezionare una sonda con la caratteristica ampiezza-frequenza più caratteristica (unico massimo simmetrico), per ottenere un'immagine della superficie del campione in studio.

Il rapporto di laboratorio dovrebbe includere:

1. parte teorica (risposte a domande di controllo).

2. risultati della parte sperimentale (descrizione della ricerca, risultati ottenuti e conclusioni tratte).

1. Metodi per lo studio della morfologia degli oggetti biologici.

2. Microscopio con sonda a scansione:

progettazione SPM;

varietà di SPM: STM, AFM;

Formato dati SPM, visualizzazione dati SPM.

3. Preparazione di campioni per studi SPM:

morfologia e struttura delle cellule batteriche;

preparazione di preparati per lo studio della morfologia mediante SPM.

4. Conoscenza del programma di progettazione e controllo di SPM NanoEducator.

5. Ottenere un'immagine SPM.

6. Elaborazione e analisi delle immagini ricevute. Caratterizzazione quantitativa di immagini SPM.

Metodi per lo studio della morfologia degli oggetti biologici

Il diametro caratteristico delle cellule è 10  20 µm, batteri - da 0,5 a 3  5 µm, questi valori sono 5 volte più piccoli della particella più piccola visibile ad occhio nudo. Pertanto, il primo studio delle cellule è diventato possibile solo dopo l'avvento dei microscopi ottici. Alla fine del XVII sec. Antonio van Leeuwenhoek realizzò il primo microscopio ottico, prima che le persone non sospettassero l'esistenza di microbi e batteri patogeni [Ref. 7-1].

microscopia ottica

Le difficoltà nello studio delle cellule sono dovute al fatto che sono incolori e trasparenti, quindi la scoperta delle loro strutture di base è avvenuta solo dopo l'introduzione pratica dei coloranti. I coloranti fornivano un contrasto dell'immagine sufficiente. Usando un microscopio ottico, si possono distinguere oggetti che sono a 0,2 µm di distanza l'uno dall'altro, ad es. Gli oggetti più piccoli che si possono ancora distinguere al microscopio ottico sono batteri e mitocondri. Le immagini di elementi cellulari più piccoli sono distorte dagli effetti causati dalla natura ondulatoria della luce.

Per preparare preparati a lunga durata, le cellule vengono trattate con un fissativo al fine di immobilizzarle e preservarle. Inoltre, la fissazione aumenta l'accessibilità delle cellule ai coloranti, perché. le macromolecole cellulari sono tenute insieme da legami incrociati, che le stabilizzano e le fissano in una determinata posizione. Molto spesso, aldeidi e alcoli agiscono come fissativi (ad esempio, la glutaraldeide o la formaldeide formano legami covalenti con gruppi amminici liberi di proteine ​​​​e reticolano le molecole vicine). Dopo la fissazione, il tessuto viene solitamente tagliato con un microtomo in sezioni molto sottili (da 1 a 10 µm di spessore), che vengono quindi posizionate su un vetrino. Con questo metodo di preparazione, la struttura delle cellule o delle macromolecole può essere danneggiata, quindi il congelamento flash è il metodo preferito. Il tessuto congelato viene tagliato con un microtomo posto in una camera fredda. Dopo il sezionamento, le cellule vengono colorate. Fondamentalmente, a questo scopo vengono utilizzati coloranti organici (verde malachite, nero Sudan, ecc.). Ognuno di essi è caratterizzato da una certa affinità per i componenti cellulari, ad esempio l'ematossilina ha un'affinità per le molecole caricate negativamente, quindi consente di rilevare il DNA nelle cellule. Se l'una o l'altra molecola è presente nella cellula in una piccola quantità, è più conveniente utilizzare la microscopia a fluorescenza.

Microscopia a fluorescenza

I coloranti fluorescenti assorbono la luce di una lunghezza d'onda ed emettono luce di un'altra lunghezza d'onda più lunga. Se una tale sostanza viene irradiata con luce la cui lunghezza d'onda corrisponde alla lunghezza d'onda della luce assorbita dal colorante, e quindi viene utilizzato un filtro per l'analisi che trasmette luce con una lunghezza d'onda corrispondente alla luce emessa dal colorante, è possibile rilevare la molecola fluorescente brillando in un campo oscuro. L'elevata intensità della luce emessa è una caratteristica di tali molecole. L'uso di coloranti fluorescenti per la colorazione delle cellule comporta l'uso di uno speciale microscopio a fluorescenza, simile a un microscopio ottico convenzionale, ma la luce di un potente illuminatore passa attraverso due serie di filtri, uno per fermare parte della radiazione dell'illuminatore davanti al campione e l'altro per filtrare la luce ricevuta dal campione. Il primo filtro è scelto in modo tale da trasmettere solo luce della lunghezza d'onda che eccita un determinato colorante fluorescente; allo stesso tempo, il secondo filtro blocca questa luce incidente e consente la luce della lunghezza d'onda emessa dal colorante quando è fluorescente.

La microscopia a fluorescenza viene spesso utilizzata per identificare proteine ​​​​specifiche o altre molecole che diventano fluorescenti dopo essere state legate in modo covalente a coloranti fluorescenti. A tale scopo, vengono solitamente utilizzati due coloranti: fluoresceina, che dà un'intensa fluorescenza giallo-verde dopo eccitazione con luce azzurra, e rodamina, causando fluorescenza rosso scuro dopo l'eccitazione con luce giallo-verde. Utilizzando sia la fluoresceina che la rodamina per la colorazione, è possibile ottenere la distribuzione di varie molecole.

Microscopia in campo oscuro

Il modo più semplice per vedere i dettagli della struttura cellulare è osservare la luce diffusa dai vari componenti della cellula. In un microscopio a campo scuro, i raggi dell'illuminatore sono diretti lateralmente e solo i raggi sparsi entrano nell'obiettivo del microscopio. Di conseguenza, la cella appare come un oggetto illuminato in un campo scuro. Uno dei principali vantaggi della microscopia in campo oscuro è la capacità di osservare il movimento delle cellule durante la divisione e la migrazione. I movimenti cellulari tendono ad essere molto lenti e difficili da osservare in tempo reale. In questo caso, viene utilizzato il microfilm fotogramma per fotogramma (time-lapse) o la registrazione video. In questo caso, i fotogrammi consecutivi vengono separati nel tempo, ma quando la registrazione viene riprodotta a velocità normale, l'immagine degli eventi reali accelera.

Negli ultimi anni, le videocamere e le relative tecnologie di imaging hanno notevolmente aumentato le capacità della microscopia ottica. Grazie alla loro applicazione è stato possibile superare le difficoltà causate dalle peculiarità della fisiologia umana. Sono quello:

1. In condizioni normali, l'occhio non registra una luce molto debole.

2. L'occhio non è in grado di rilevare piccole differenze di intensità luminosa su uno sfondo luminoso.

Il primo di questi problemi è stato superato collegando videocamere ad altissima sensibilità al microscopio. Ciò ha permesso di osservare le cellule per lungo tempo con una scarsa illuminazione, escludendo l'esposizione prolungata alla luce intensa. I sistemi di imaging sono particolarmente importanti per lo studio delle molecole fluorescenti nelle cellule viventi. Poiché l'immagine è prodotta da una videocamera sotto forma di segnali elettronici, può essere opportunamente convertita in segnali numerici, inviata a un computer e quindi sottoposta a un'ulteriore elaborazione per estrarre informazioni nascoste.

L'alto contrasto ottenibile con la microscopia a interferenza del computer permette di osservare anche oggetti molto piccoli, come i singoli microtubuli, il cui diametro è inferiore a un decimo della lunghezza d'onda della luce (0,025 µm). I singoli microtubuli possono anche essere visti utilizzando la microscopia a fluorescenza. Tuttavia, in entrambi i casi, gli effetti di diffrazione sono inevitabili, che modificano fortemente l'immagine. In questo caso, il diametro dei microtubuli è sovrastimato (0,2 μm), il che rende impossibile distinguere i singoli microtubuli da un fascio di più microtubuli. Per risolvere questo problema è necessario un microscopio elettronico, il cui limite di risoluzione è spostato ben oltre la lunghezza d'onda della luce visibile.

microscopio elettronico

Anche per gli elettroni viene preservata la relazione tra la lunghezza d'onda e il limite di risoluzione. Tuttavia, per un microscopio elettronico, il limite di risoluzione è molto inferiore al limite di diffrazione. La lunghezza d'onda di un elettrone diminuisce all'aumentare della sua velocità. In un microscopio elettronico con una tensione di 100.000 V, la lunghezza d'onda di un elettrone è 0,004 nm. Secondo la teoria, la risoluzione di un tale microscopio è di 0,002 nm nel limite. Tuttavia, in realtà, a causa delle piccole aperture numeriche delle lenti elettroniche, la risoluzione dei moderni microscopi elettronici è al massimo 0,1 nm. Le difficoltà nella preparazione del campione e il suo danno per radiazione riducono significativamente la risoluzione normale, che per gli oggetti biologici è di 2 nm (circa 100 volte superiore a quella di un microscopio ottico).

La sorgente di elettroni in microscopio elettronico a trasmissione (TEM)è un filamento catodico posto alla sommità di una colonna cilindrica alta circa due metri. Per evitare la dispersione degli elettroni durante le collisioni con le molecole d'aria, nella colonna viene creato un vuoto. Gli elettroni emessi dal filamento catodico vengono accelerati da un anodo vicino ed entrano attraverso un minuscolo foro, formando un fascio di elettroni che passa nella parte inferiore della colonna. Lungo la colonna a una certa distanza ci sono magneti ad anello che focalizzano il raggio di elettroni, come lenti di vetro che focalizzano il raggio di luce in un microscopio ottico. Il campione viene posto attraverso la camera d'equilibrio all'interno della colonna, nel percorso del fascio di elettroni. Parte degli elettroni al momento del passaggio attraverso il campione viene dispersa in base alla densità della sostanza in quest'area, il resto degli elettroni viene focalizzato e forma un'immagine (simile alla formazione di un'immagine in un microscopio ottico) su lastra fotografica o su uno schermo fosforescente.

Uno dei maggiori svantaggi della microscopia elettronica è che i campioni biologici devono essere sottoposti a un trattamento speciale. Innanzitutto vengono fissati prima con glutaraldeide e poi con acido osmico, che lega e stabilizza il doppio strato di lipidi e proteine. In secondo luogo, gli elettroni hanno un basso potere di penetrazione, quindi devi realizzare sezioni ultrasottili e, per questo, i campioni vengono disidratati e impregnati di resine. In terzo luogo, per aumentare il contrasto, i campioni vengono trattati con sali di metalli pesanti come osmio, uranio e piombo.

Per ottenere un'immagine tridimensionale della superficie viene utilizzata microscopio elettronico a scansione (SEM), dove vengono utilizzati gli elettroni che sono dispersi o emessi dalla superficie del campione. Il campione in questo caso viene fissato, asciugato e ricoperto da una sottile pellicola di metallo pesante, quindi scansionato con un fascio di elettroni stretto. In questo caso si stima il numero di elettroni dispersi durante l'irradiazione superficiale. Il valore ottenuto viene utilizzato per controllare l'intensità del secondo raggio, muovendosi in modo sincrono con il primo e formando un'immagine sullo schermo monitor. La risoluzione del metodo è di circa 10 nm e non è applicabile allo studio degli organelli intracellulari. Lo spessore dei campioni studiati con questo metodo è determinato dal potere di penetrazione degli elettroni o dalla loro energia.

Gli svantaggi principali e significativi di tutti questi metodi sono la durata, la complessità e l'alto costo della preparazione del campione.

Microscopia a scansione di sonda

In un microscopio a scansione di sonda (SPM), invece di un fascio di elettroni o di una radiazione ottica, viene utilizzata una sonda appuntita, un ago, che scansiona la superficie del campione. In senso figurato, possiamo dire che se un campione viene esaminato al microscopio ottico o elettronico, allora si sente nell'SPM. Di conseguenza, è possibile ottenere immagini tridimensionali di oggetti in diversi media: vuoto, aria, liquido.

Disegni speciali di SPM adattati per la ricerca biologica consentono contemporaneamente all'osservazione ottica di scansionare sia cellule viventi in diversi mezzi liquidi che preparazioni fisse nell'aria.

Microscopio a sonda a scansione

Il nome del microscopio della sonda a scansione riflette il principio del suo funzionamento: scansione della superficie del campione, in cui viene eseguita la lettura punto per punto del grado di interazione tra la sonda e la superficie. È possibile impostare la dimensione dell'area di scansione e il numero di punti in essa N X N Y. Più punti specifichi, maggiore è la risoluzione dell'immagine della superficie. La distanza tra i punti di lettura del segnale è chiamata fase di scansione. La fase di scansione dovrebbe essere inferiore ai dettagli della superficie studiati. Il movimento della sonda durante la scansione (vedi Fig. 7-1) viene eseguito linearmente nella direzione avanti e indietro (nella direzione della scansione veloce), il passaggio alla linea successiva viene eseguito nella direzione perpendicolare (nella direzione di scansione lenta).

Riso. 7 1. Rappresentazione schematica del processo di scansione
(la lettura del segnale viene effettuata sulla traiettoria diretta dello scanner)

A seconda della natura del segnale letto, i microscopi a scansione hanno nomi e scopi diversi:

microscopio a forza atomica (AFM), vengono lette le forze di interazione interatomica tra atomi sonda e atomi campione;

microscopio tunneling (STM), che legge la corrente di tunneling che scorre tra il campione conduttivo e la sonda conduttiva;

microscopio a forza magnetica (MFM), vengono lette le forze di interazione tra la sonda rivestita di materiale magnetico e il campione che rileva le proprietà magnetiche;

Il microscopio a forza elettrostatica (ESM) consente di ottenere un'immagine della distribuzione del potenziale elettrico sulla superficie del campione. Vengono utilizzate sonde la cui punta è ricoperta da un sottile film conduttivo (oro o platino).

Progettazione SPM

L'SPM è costituito dai seguenti componenti principali (Figura 7-2): una sonda, attuatori piezoelettrici per spostare la sonda in X, Y, Z sulla superficie del campione di prova, un circuito di feedback e un computer per controllare il processo di scansione e acquisizione dell'immagine.

Figura 7 2. Schema di un microscopio a sonda a scansione

sensore sonda - un componente di un microscopio a sonda di potenza che scansiona la preparazione. Il sensore della sonda contiene un cantilever (consolle a molla) di tipo rettangolare (a forma di I) o triangolare (a forma di V) (Fig. 7-3), all'estremità del quale è presente una sonda appuntita (Fig. 7-3) , che di solito ha una forma conica o piramidale. L'altra estremità del cantilever è unita al supporto (con il cosiddetto chip). I sensori della sonda sono realizzati in silicio o nitruro di silicio. La caratteristica principale del cantilever è la costante di forza (costante di rigidità), che varia da 0,01 N/m a 1020 N/m. Per lo studio di oggetti biologici vengono utilizzate sonde “morbide” con una durezza di 0,01  0,06 N/m.

Riso. 7 3. Immagini di sonde AFM piramidali
ottenuto al microscopio elettronico:
a - tipo a I, b - tipo a V, c - piramide all'estremità del cantilever

Attuatori piezoelettrici o scanner - per il movimento controllato della sonda sul campione o del campione stesso rispetto alla sonda a distanze ultra-piccole. Gli attuatori piezoelettrici utilizzano materiali piezoceramici che cambiano le loro dimensioni quando viene applicata una tensione elettrica. Il processo di modifica dei parametri geometrici sotto l'azione di un campo elettrico è chiamato effetto piezoelettrico inverso. Il piezomateriale più comune è titanio zirconato.

Lo scanner è una struttura piezoceramica che fornisce il movimento lungo tre coordinate: x, y (nel piano laterale del campione) e z (in verticale). Esistono diversi tipi di scanner, i più comuni sono il treppiede e il tubo (Fig. 7-4).

Riso. 7 4. Disegni scanner: a) – treppiede, b) – tubolare

In uno scanner a treppiede, i movimenti in tre coordinate sono forniti da tre aste piezoceramiche indipendenti che formano una struttura ortogonale.

In uno scanner per tubi, un tubo piezoelettrico cavo si piega nei piani XZ e ZY e si espande o si contrae lungo l'asse Z quando vengono applicate tensioni appropriate agli elettrodi che controllano i movimenti del tubo. Gli elettrodi per controllare il movimento nel piano XY si trovano sulla superficie esterna del tubo, per controllare il movimento in Z, agli elettrodi X e Y vengono applicate tensioni uguali.

Circuito di feedback - un insieme di elementi SPM, con l'aiuto del quale la sonda viene mantenuta a una distanza fissa dalla superficie del campione durante la scansione (Fig. 7-5). Durante il processo di scansione, la sonda può essere posizionata su aree della superficie del campione con rilievi diversi, mentre la distanza sonda-campione Z cambierà e il valore dell'interazione sonda-campione cambierà di conseguenza.

Riso. 7 5. Schema di feedback di un microscopio a sonda a scansione

Quando la sonda si avvicina alla superficie, le forze di interazione sonda-campione aumentano e aumenta anche il segnale del dispositivo di registrazione. V(T), quale il espresso in unità di tensione. Il comparatore confronta il segnale V(T) con tensione di riferimento V di base e genera un segnale correttivo V corr. Segnale di correzione V corr viene alimentato allo scanner e la sonda viene ritratta dal campione. Tensione di riferimento: la tensione corrispondente al segnale del dispositivo di registrazione quando la sonda si trova a una determinata distanza dal campione. Mantenendo questa distanza sonda-campione predeterminata durante la scansione, il sistema di retroazione mantiene la forza di interazione sonda-campione predeterminata.

Riso. 7 6. La traiettoria del movimento relativo della sonda nel processo di mantenimento di una forza costante dell'interazione sonda-campione da parte del sistema di feedback

Sulla Fig. 7-6 mostra la traiettoria della sonda rispetto al campione mantenendo una forza di interazione sonda-campione costante. Se la sonda si trova sopra la fovea, allo scanner viene applicata una tensione, alla quale lo scanner si allunga, abbassando la sonda.

La velocità di risposta del circuito di retroazione a una variazione della distanza sonda-campione (interazioni sonda-campione) è determinata dalla costante del circuito di retroazione K. I valori K dipendono dalle caratteristiche progettuali di un particolare SPM (design e caratteristiche dello scanner, elettronica), modalità di funzionamento dell'SPM (dimensione dell'area di scansione, velocità di scansione, ecc.), nonché dalle caratteristiche della superficie in esame (caratteristiche della scala dei rilievi , durezza del materiale, ecc.).

Varietà di SPM

Microscopio a scansione tunnel

Nell'STM, il dispositivo di registrazione (Fig. 7-7) misura la corrente di tunneling che scorre tra la sonda metallica, che varia a seconda del potenziale sulla superficie del campione e della topografia della sua superficie. La sonda è un ago appuntito, il cui raggio della punta può raggiungere diversi nanometri. Come materiale per la sonda vengono solitamente utilizzati metalli con elevata durezza e resistenza chimica: tungsteno o platino.

Riso. 7 7. Schema del sensore sonda tunnel

Viene applicata una tensione tra la sonda conduttiva e il campione conduttivo. Quando la punta della sonda si trova a una distanza di circa 10 A dal campione, gli elettroni del campione iniziano a penetrare attraverso lo spazio vuoto nella sonda o viceversa, a seconda del segno della tensione (Fig. 7-8).

Riso. 7 8. Rappresentazione schematica dell'interazione della punta della sonda con il campione

La corrente del tunnel risultante viene misurata da un dispositivo di registrazione. Il suo valore io T proporzionale alla tensione applicata al contatto del tunnel V ed esponenzialmente dipende dalla distanza dall'ago al campione D.

Pertanto, piccoli cambiamenti nella distanza dalla punta della sonda al campione D corrispondono a variazioni esponenzialmente grandi nella corrente di tunneling io T(supponendo voltaggio V mantenuto costante). Per questo motivo, la sensibilità del sensore della sonda a tunnel è sufficiente per registrare variazioni di altezza inferiori a 0,1 nm e, di conseguenza, per ottenere un'immagine di atomi sulla superficie di un solido.

Microscopio a forza atomica

Il sensore sonda più comune dell'interazione della forza atomica è un cantilever a molla (dall'inglese cantilever - console) con una sonda situata alla sua estremità. La quantità di flessione a sbalzo dovuta all'interazione della forza tra il campione e la sonda (Fig. 7-9) viene misurata utilizzando uno schema di registrazione ottica.

Il principio di funzionamento del sensore di forza si basa sull'uso di forze atomiche agenti tra gli atomi della sonda e gli atomi del campione. Quando la forza della sonda-campione cambia, la quantità di flessione a sbalzo cambia e tale cambiamento viene misurato dal sistema di registrazione ottica. Pertanto, il sensore di forza atomica è una sonda appuntita ad alta sensibilità, che consente di registrare le forze di interazione tra i singoli atomi.

Per piccole curve, il rapporto tra forza sonda-campione F e deflessione della punta a sbalzo X determinato dalla legge di Hooke:

dove K è la costante di forza (costante di rigidità) del cantilever.

Ad esempio, se viene utilizzato un cantilever con una costante K circa 1 N/m, quindi sotto l'azione di una forza di interazione sonda-campione di circa 0,1 nanoNewton, la deflessione del cantilever sarà di circa 0,1 nm.

Per misurare questi piccoli spostamenti, viene solitamente utilizzato un sensore di spostamento ottico (Fig. 7-9), costituito da un laser a semiconduttore e un fotodiodo a quattro sezioni. Quando il cantilever è piegato, il raggio laser riflesso da esso si sposta rispetto al centro del fotorilevatore. Pertanto, la flessione del cantilever può essere determinata dalla variazione relativa nell'illuminazione delle metà superiore (T) e inferiore (B) del fotorilevatore.

Fig 7 9. Schema del sensore di forza

Dipendenza delle forze di interazione punta-campione dalla distanza punta-campione

Quando la sonda si avvicina al campione, viene prima attratta verso la superficie a causa della presenza di forze di attrazione (forze di van der Waals). Quando la sonda si avvicina ulteriormente al campione, i gusci elettronici degli atomi all'estremità della sonda e gli atomi sulla superficie del campione iniziano a sovrapporsi, il che porta alla comparsa di una forza repulsiva. Man mano che la distanza diminuisce ulteriormente, la forza repulsiva diventa dominante.

In generale, la dipendenza dalla forza dell'interazione interatomica F dalla distanza tra gli atomi R sembra:

.

Costanti un e B ed esponenti m e n dipendono dal tipo di atomi e dal tipo di legami chimici. Per le forze di van der Waals m=7 e n=3. Qualitativamente, la dipendenza F(R) è mostrata in Fig. 7-10.

Riso. 7 10. Dipendenza della forza di interazione tra atomi dalla distanza

Formato dati SPM, visualizzazione dati SPM

I dati sulla morfologia superficiale, ottenuti durante lo studio al microscopio ottico, sono presentati come un'immagine ingrandita di una superficie. Le informazioni ottenute con l'SPM sono scritte come un array bidimensionale di interi A ij . Per ogni valore ij corrisponde a un punto specifico della superficie all'interno del campo di scansione. La rappresentazione grafica di questa matrice di numeri è denominata immagine scansionata SPM.

Le immagini scansionate possono essere bidimensionali (2D) o tridimensionali (3D). Con la visualizzazione 2D, ogni punto della superficie Z= F(x,y) viene assegnata una determinata tonalità di colore in base all'altezza del punto della superficie (Fig. 7-11 a). Nella visualizzazione 3D, l'immagine della superficie Z= F(x,y) è costruito in una prospettiva assonometrica con l'ausilio di pixel o linee di rilievo calcolate in un certo modo. Il modo più efficace per colorare le immagini 3D è simulare le condizioni di illuminazione della superficie da una sorgente puntiforme situata in un certo punto dello spazio sopra la superficie (Fig. 7-11 b). In questo caso, è possibile enfatizzare le singole piccole caratteristiche del rilievo.

Riso. 7 11. Linfociti del sangue umano:
a) Immagine 2D, b) Immagine 3D con illuminazione laterale

Preparazione di campioni per la ricerca SPM

Morfologia e struttura delle cellule batteriche

I batteri sono microrganismi unicellulari che hanno una forma diversa e una struttura complessa, che determina la diversità della loro attività funzionale. I batteri sono caratterizzati da quattro forme principali: sferica (sferica), cilindrica (a forma di bastoncello), contorta e filamentosa [Ref. 7-2].

cocci (batteri sferici) - a seconda del piano di divisione e della posizione dei singoli individui, sono suddivisi in micrococchi (cocchi sdraiati separatamente), diplococchi (cocchi accoppiati), streptococchi (catene di cocchi), stafilococchi (che hanno l'aspetto di grappoli d'uva) ), tetracocchi (formazioni di quattro cocchi) e sarcin (confezioni da 8 o 16 cocchi).

A forma di bastoncino - i batteri si trovano sotto forma di singole cellule, diplo o streptobatteri.

Collezione - vibrioni, spirille e spirochete. I vibrioni hanno l'aspetto di bastoncini leggermente ricurvi, spirilla - una forma contorta con diversi riccioli a spirale.

Le dimensioni dei batteri variano da 0,1 a 10 µm. La composizione di una cellula batterica comprende una capsula, una parete cellulare, una membrana citoplasmatica e un citoplasma. Il citoplasma contiene il nucleotide, i ribosomi e le inclusioni. Alcuni batteri sono dotati di flagelli e villi. Un certo numero di batteri forma spore. Superando la dimensione trasversale iniziale della cellula, le spore le conferiscono una forma a fuso.

Per studiare la morfologia dei batteri su un microscopio ottico, da essi vengono preparati preparati (vitali) nativi o strisci fissi colorati con colorante all'anilina. Esistono metodi di colorazione speciali per rilevare flagelli, pareti cellulari, nucleotidi e varie inclusioni citoplasmatiche.

Per lo studio SPM della morfologia delle cellule batteriche, non è richiesta la colorazione del preparato. SPM consente di determinare la forma e le dimensioni dei batteri con un elevato grado di risoluzione. Con un'attenta preparazione della preparazione e l'uso di una sonda con un piccolo raggio di curvatura, è possibile rilevare i flagelli. Allo stesso tempo, a causa della grande rigidità della parete cellulare batterica, è impossibile "sondare" le strutture intracellulari, come invece avviene in alcune cellule animali.

Preparazione di preparati per lo studio della morfologia SPM

Per la prima esperienza con SPM, si consiglia di scegliere un preparato biologico che non richieda una preparazione complessa. I batteri dell'acido lattico facilmente accessibili e non patogeni provenienti dalla salamoia di crauti o dai prodotti a base di latte fermentato sono abbastanza adatti.

Per gli studi SPM in aria, è necessario fissare saldamente l'oggetto in studio sulla superficie del substrato, ad esempio su un vetrino coprioggetto. Inoltre, la densità dei batteri nella sospensione dovrebbe essere tale che le cellule non si attacchino tra loro durante la deposizione sul substrato e la distanza tra loro non dovrebbe essere troppo grande in modo che più oggetti possano essere presi durante la scansione in un fotogramma. Queste condizioni sono soddisfatte se la modalità di preparazione del campione viene scelta correttamente. Se una goccia di una soluzione contenente batteri viene applicata al substrato, si verificherà la loro graduale precipitazione e adesione. In questo caso, come parametri principali devono essere considerati la concentrazione di cellule nella soluzione e il tempo di sedimentazione. La concentrazione di batteri nella sospensione è determinata da uno standard di torbidità ottica.

Nel nostro caso, solo un parametro avrà un ruolo: il tempo di incubazione. Più a lungo la goccia viene trattenuta sul vetro, maggiore sarà la densità delle cellule batteriche. Allo stesso tempo, se una goccia di liquido inizia ad asciugarsi, la preparazione sarà troppo contaminata dai componenti precipitati della soluzione. Una goccia di una soluzione contenente cellule batteriche (salamoia) viene applicata su un vetrino coprioggetto, incubato per 5-60 minuti (a seconda della composizione della soluzione). Quindi, senza attendere che le gocce si asciughino, vengono accuratamente lavate con acqua distillata (immergendo più volte il preparato con una pinzetta in un bicchiere). Dopo l'essiccazione, la preparazione è pronta per la misurazione sull'SPM.

Ad esempio, preparazioni di batteri dell'acido lattico sono state preparate dalla salamoia di crauti. Il tempo di esposizione della goccia di salamoia sul vetrino coprioggetto è stato scelto tra 5 minuti, 20 minuti e 1 ora (la goccia aveva già iniziato ad asciugarsi). SPM - i frame sono mostrati in Fig. 7-12, Fig. 7-13,
Riso. 7-14.

Dalle figure si evince che per questa soluzione il tempo di incubazione ottimale è di 510 min. Un aumento del tempo di mantenimento di una goccia sulla superficie del substrato porta all'adesione delle cellule batteriche. Nel caso in cui una goccia della soluzione inizi ad asciugarsi, i componenti della soluzione si depositano sul vetro, che non può essere lavato via.

Riso. 7 12. Immagini di batteri dell'acido lattico su un vetrino coprioggetto,
ottenuto utilizzando SPM.

Riso. 7 13. Immagini di batteri dell'acido lattico su un vetrino coprioggetto,
ottenuto utilizzando SPM. Tempo di incubazione della soluzione 20 min

Riso. 7 14. Immagini di batteri dell'acido lattico su un vetrino coprioggetto,
ottenuto utilizzando SPM. Tempo di incubazione della soluzione 1 ora

Su uno dei preparati selezionati (Fig. 7-12), abbiamo cercato di considerare cosa sono i batteri dell'acido lattico, quale forma ne è caratteristica in questo caso. (Fig. 7-15)

Riso. 7 15. AFM - immagine di batteri lattici su un vetrino coprioggetto.
Tempo di incubazione della soluzione 5 min

Riso. 7 16. AFM - immagine di una catena di batteri lattici su un vetrino.
Tempo di incubazione della soluzione 5 min

La salamoia è caratterizzata dalla forma di batteri a forma di bastoncello e dalla disposizione a forma di catena.

Riso. 7 17. Finestra del programma di controllo della didattica SPM NanoEducator.
Barra degli strumenti

Utilizzando gli strumenti del programma educativo SPM NanoEducator, abbiamo determinato la dimensione delle cellule batteriche. Variavano da circa 0,5 × 1,6 µm
fino a 0,8 × 3,5 µm.

I risultati ottenuti vengono confrontati con i dati riportati nel determinante dei batteri Bergey [Lit. 7-3].

I batteri dell'acido lattico appartengono ai lattobacilli (Lactobacillus). Le cellule sono a forma di bastoncello, generalmente di forma regolare. I bastoncini sono lunghi, a volte quasi coccoidi, di solito in catenelle corte. Dimensioni 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 micron. La controversia non si forma; in rari casi sono mobili a causa dei flagelli peritrichi. Ampiamente diffuso nell'ambiente, si trova soprattutto negli alimenti di origine animale e vegetale. I batteri lattici fanno parte della normale microflora del tubo digerente. Tutti sanno che i crauti, oltre al contenuto di vitamine in esso contenuti, sono utili per migliorare la microflora intestinale.

Progettazione di un microscopio a sonda a scansione NanoEducatore

Sulla Fig. 7-18 mostra l'aspetto della testina di misurazione NanoEducatore SPM e sono indicati gli elementi principali del dispositivo utilizzato nell'opera.

Riso. 7 18. Aspetto della testa di misura SPM NanoEducator
1 base, 2 portacampioni, 3 sensori di interazione, 4 viti di fissaggio dei sensori,
5 viti per avvicinamento manuale, 6 viti per spostare lo scanner con un campione su un piano orizzontale, 7 coperture di protezione con videocamera

Sulla Fig. 7-19 mostra il design della testa di misurazione. Sulla base 1 è presente uno scanner 8 con un portacampioni 7 e un meccanismo per portare il campione alla sonda 2 basato su un motore passo-passo. Nell'educativo NanoEducatore SPM il campione viene fissato sullo scanner e il campione viene scansionato rispetto alla sonda fissa. La sonda 6, fissata sul sensore di interazione di forza 4, può anche essere avvicinata al campione mediante la vite di avvicinamento manuale 3. La selezione preliminare del sito di studio sul campione viene effettuata mediante la vite 9.

Riso. 7 19. Costruzione di SPM NanoEducator: 1 – base, 2 – meccanismo di approccio,
3 – vite di avvicinamento manuale, 4 – sensore di interazione, 5 – vite di fissaggio del sensore, 6 – sonda,
7 - portacampioni, 8 - scanner, 9, 10 - viti per spostare lo scanner con il campione

Formazione NanoEducatore SPMè costituito da una testa di misura collegata tramite cavi, un controller SPM e un computer di controllo. Il microscopio è dotato di una videocamera. Il segnale dal sensore di interazione dopo la conversione nel preamplificatore entra nel controller SPM. Gestione del lavoro NanoEducatore SPM viene eseguito dal computer tramite il controller SPM.

Sensore di interazione di forza e sonda

Nel dispositivo NanoEducatore Il sensore è realizzato sotto forma di un tubo piezoceramico con una lunghezza l=7 mm, diametro D=1,2 mm e spessore della parete h\u003d 0,25 mm, fissato rigidamente a un'estremità. Un elettrodo conduttivo viene depositato sulla superficie interna del tubo. Sulla superficie esterna del tubo sono depositati due elettrodi semicilindrici elettricamente isolati. Attaccato all'estremità libera del tubo è un filo di tungsteno con un diametro
100 µm (Fig. 7-20).

Riso. 7 20. Il design del sensore universale del NanoEducator

L'estremità libera del filo utilizzata come sonda è messa a terra elettrochimicamente, il raggio di curvatura è 0,2  0,05 µm. La sonda ha un contatto elettrico con l'elettrodo interno del tubo collegato al corpo dello strumento con messa a terra.

La presenza di due elettrodi esterni sul tubo piezoelettrico consente di utilizzare una parte del tubo piezoelettrico (superiore, secondo Fig. 7-21) come sensore di interazione di forza (sensore di vibrazioni meccaniche), e l'altra parte di essere utilizzata usato come piezovibratore. Al piezovibratore viene fornita una tensione elettrica alternata con una frequenza uguale alla frequenza di risonanza del sensore di potenza. L'ampiezza di oscillazione a una grande distanza punta-campione è massima. Come si può vedere dalla figura. 7-22, durante il processo di oscillazione, la sonda si discosta dalla posizione di equilibrio di una quantità A o pari all'ampiezza delle sue oscillazioni meccaniche forzate (si tratta di frazioni di micrometro), mentre sulla seconda parte di il piezotube (sensore di oscillazione), proporzionale allo spostamento della sonda, che e misurato dallo strumento.

Quando la sonda si avvicina alla superficie del campione, la sonda inizia a toccare il campione durante l'oscillazione. Ciò porta a uno spostamento della caratteristica ampiezza-frequenza (AFC) delle oscillazioni del sensore a sinistra rispetto all'AFC misurata lontano dalla superficie (Fig. 7-22). Poiché la frequenza delle oscillazioni di guida del piezotubo viene mantenuta costante ed uguale alla frequenza di oscillazione о nello stato libero, quando la sonda si avvicina alla superficie, l'ampiezza delle sue oscillazioni diminuisce e diventa uguale ad A. Questa ampiezza di oscillazione viene registrata dalla seconda parte del piezotube.

Riso. 7 21. Il principio di funzionamento del tubo piezoelettrico
come sensore di interazione di forza

Riso. 7 22. Modifica della frequenza di oscillazione del sensore di forza
quando ci si avvicina alla superficie del campione

Scanner

Il metodo di organizzazione dei micromovimenti utilizzato nel dispositivo NanoEducatore, si basa sull'uso di una membrana metallica fissata lungo il perimetro, alla cui superficie è incollata una piastra piezoelettrica (Fig. 7-23 a). Un cambiamento nelle dimensioni della piastra piezoelettrica sotto l'azione di una tensione di controllo comporterà una flessione della membrana. Posizionando tali membrane su tre lati perpendicolari del cubo e collegando i loro centri con spingitori metallici, è possibile ottenere uno scanner a 3 coordinate (Fig. 7-23 b).

Riso. 7 23. Principio di funzionamento (a) e progetto (b) dello scanner NanoEducator

Ciascun elemento piezoelettrico 1, fissato sulle facce del cubo 2, quando ad esso viene applicata una tensione elettrica, può muovere lo spintore 3 ad esso collegato in una delle tre direzioni tra loro perpendicolari - X, Y o Z. Come si può vedere da nella figura, tutti e tre i pulsanti sono collegati in un punto 4 Con qualche approssimazione, possiamo supporre che questo punto si muova lungo tre coordinate X, Y, Z. Nello stesso punto è fissato il rack 5 con il portacampioni 6. Pertanto, il campione si muove lungo tre coordinate sotto l'azione di tre sorgenti di tensione indipendenti. Negli elettrodomestici NanoEducatore lo spostamento massimo del campione è di circa 5070 µm, che determina la massima area di scansione.

Meccanismo per l'avvicinamento automatizzato della sonda al campione (cattura del feedback)

Il range di movimento dello scanner lungo l'asse Z è di circa 10 µm, pertanto, prima della scansione, è necessario avvicinare la sonda al campione a questa distanza. A tale scopo, viene progettato il meccanismo di approccio, il cui schema è mostrato in Fig. 7-19. Il motore passo-passo 1, quando gli vengono applicati impulsi elettrici, fa ruotare la coclea 2 e muove la barra 3 con la sonda 4, avvicinandola o allontanandola dal campione 5 installato sullo scanner 6. Il valore di uno step è circa 2 micron.

Riso. 7 24. Schema del meccanismo di avvicinamento della sonda alla superficie del campione

Poiché il passo del meccanismo di avvicinamento supera significativamente il valore della distanza sonda-campione richiesta durante la scansione, per evitare la deformazione della sonda, il suo avvicinamento viene effettuato con il funzionamento simultaneo del motore passo-passo e i movimenti dello scanner lungo la Z asse secondo il seguente algoritmo:

1. Il sistema di feedback è spento e lo scanner si "ritrae", ovvero abbassa il campione nella posizione estrema inferiore.

2. Il meccanismo di avvicinamento della sonda fa un passo e si ferma.

3. Il sistema di feedback viene attivato e lo scanner solleva il campione senza problemi, mentre viene analizzata l'interazione sonda-campione.

4. Se non c'è interazione, il processo viene ripetuto dal punto 1.

Se viene visualizzato un segnale diverso da zero mentre lo scanner viene sollevato, il sistema di feedback interromperà il movimento verso l'alto dello scanner e fisserà la quantità di interazione a un determinato livello. L'entità dell'interazione della forza alla quale l'approccio della sonda si fermerà e il processo di scansione avverrà nel dispositivo NanoEducatore caratterizzato dal parametro Soppressione dell'ampiezza (AmpiezzaSoppressione) :

A=Ao. (soppressione di 1 ampiezza)

Ottenere un'immagine SPM

Dopo aver chiamato il programma NanoEducatore sullo schermo del computer compare la finestra principale del programma (Fig. 7-20). Il lavoro dovrebbe essere avviato dalla voce di menu File e in esso scegli Aprire o Nuovo o i pulsanti corrispondenti sulla barra degli strumenti (, ).

Selezione della squadra File Nuovo significa il passaggio alle misure SPM, e la scelta del comando File Aprire significa una transizione alla visualizzazione e all'elaborazione dei dati ricevuti in precedenza. Il programma consente di visualizzare ed elaborare i dati parallelamente alle misurazioni.

Riso. 7 25. Finestra principale di NanoEducator

Dopo aver eseguito il comando File Nuovo sullo schermo viene visualizzata una finestra di dialogo che consente di selezionare o creare una cartella di lavoro in cui verranno salvati per impostazione predefinita i risultati della misurazione corrente. Nel corso delle misurazioni, tutti i dati ottenuti vengono registrati in sequenza in file con i nomi ScanData+i.spm, dove l'indice io viene azzerato all'avvio del programma e incrementato ad ogni nuova misura. File ScanData+i.spm vengono inseriti nella cartella di lavoro, che viene impostata prima dell'inizio delle misurazioni. È possibile selezionare una cartella di lavoro diversa durante le misurazioni. Per fare ciò, premere il pulsante , situato sulla barra degli strumenti della finestra principale del programma e selezionare la voce di menu Cambia cartella di lavoro.

Per salvare i risultati della misurazione corrente, premere il pulsante Salva come nella finestra Scansione nella finestra di dialogo visualizzata, selezionare una cartella e specificare un nome file, mentre il file ScanData+i.spm, che funge da file di salvataggio dati temporaneo durante le misurazioni, verrà rinominato con il nome file specificato. Per impostazione predefinita, il file verrà salvato nella cartella di lavoro assegnata prima dell'inizio delle misurazioni. Se non si esegue l'operazione di salvataggio dei risultati della misurazione, al successivo avvio del programma i risultati vengono registrati in file temporanei ScanData+i.spm, verrà sovrascritto in sequenza (a meno che non venga modificata la directory di lavoro). In merito alla presenza di file temporanei di risultati di misura nella cartella di lavoro, viene emesso un avviso prima della chiusura e dopo l'avvio del programma. La modifica della cartella di lavoro prima di iniziare le misurazioni consente di proteggere dall'eliminazione i risultati dell'esperimento precedente. Nome predefinito ScanData può essere modificato specificandolo nella finestra di selezione della cartella di lavoro. Premendo il pulsante viene richiamata la finestra per la selezione di una cartella di lavoro. , che si trova sulla barra degli strumenti della finestra principale del programma. È anche possibile salvare i risultati della misurazione nella finestra Scansione browser, selezionando uno per uno i file necessari e salvandoli nella cartella selezionata.

È possibile esportare i risultati ottenuti con il NanoEducator nei formati ASCII e Nova (NTMDT), che possono essere importati da NTMDT Nova, Image Analysis e altri programmi. Le immagini scansionate, i dati delle loro sezioni trasversali, i risultati delle misurazioni spettroscopiche vengono esportati in formato ASCII. Per esportare i dati, fare clic sul pulsante Esportare che si trova nella barra degli strumenti della finestra principale dell'applicazione, oppure selezionare Esportare nella voce di menu File questa finestra e selezionare il formato di esportazione appropriato. I dati per l'elaborazione e l'analisi possono essere inviati immediatamente al programma di analisi delle immagini pre-lanciato.

Dopo aver chiuso la finestra di dialogo, sullo schermo viene visualizzato il pannello di controllo dello strumento.
(Fig. 7-26).

Riso. 7 26. Pannello di controllo dello strumento

Sul lato sinistro del cruscotto sono presenti i pulsanti per la selezione della configurazione SPM:

SSM– microscopio a forza di scansione (SFM)

STM– microscopio a scansione tunnel (STM).

L'esecuzione delle misurazioni sull'SPM NanoEducator di formazione consiste nell'eseguire le seguenti operazioni:

1. Installazione del campione

ATTENZIONE! Prima di inserire il campione, è necessario rimuovere il sensore con la sonda per non danneggiare la sonda.

Esistono due modi per correggere il campione:

su tavola magnetica (in questo caso il campione deve essere fissato ad un supporto magnetico);

su nastro biadesivo.

ATTENZIONE! Per installare il campione su nastro biadesivo, è necessario svitare il supporto dal rack (in modo da non danneggiare lo scanner), quindi riavvitarlo fino a quando non si ferma leggermente.

Nel caso di un supporto magnetico, il campione può essere cambiato senza svitare il supporto del campione.

2. Installazione della sonda

ATTENZIONE! Installare sempre il sensore con la sonda dopo aver posizionato il campione.

Dopo aver selezionato il sensore della sonda desiderato (tenere la sonda per i bordi metallici della base) (vedere Fig. 7-27), allentare la vite di fissaggio della sonda della sonda 2 sul coperchio della testina di misurazione, inserire la sonda nella presa del supporto fino all'arresto , avvitare la vite di fissaggio in senso orario finché non si ferma leggermente.

Riso. 7 27. Installazione della sonda

3. Selezione di una posizione di scansione

Quando si sceglie un sito per la ricerca su un campione, utilizzare le viti per spostare la tabella a due coordinate situata nella parte inferiore del dispositivo.

4. Avvicinamento preliminare della sonda al campione

L'operazione di avvicinamento preliminare non è obbligatoria per ogni misura, la necessità della sua attuazione dipende dalla distanza tra il campione e la punta della sonda. È auspicabile eseguire l'operazione di avvicinamento preliminare se la distanza tra la punta della sonda e la superficie del campione supera 0,51 mm. Quando si utilizza un approccio automatizzato della sonda al campione da una grande distanza tra di loro, il processo di approccio richiederà molto tempo.

Utilizzare la vite manuale per abbassare la sonda controllando visivamente la distanza tra essa e la superficie del campione.

5. Costruire una curva di risonanza e impostare la frequenza operativa

Questa operazione viene necessariamente eseguita all'inizio di ogni misurazione e, fino a quando non viene eseguita, il passaggio a ulteriori fasi di misurazione viene bloccato. Inoltre, durante il processo di misurazione, a volte si verificano situazioni che richiedono di ripetere questa operazione (ad esempio, quando si perde il contatto).

La finestra di ricerca della risonanza si richiama premendo il pulsante sul quadro comandi. L'esecuzione di questa operazione comporta la misurazione dell'ampiezza delle oscillazioni della sonda al variare della frequenza delle oscillazioni forzate, impostata dal generatore. Per fare ciò, premere il pulsante CORRERE(Fig. 7-28).

Riso. 7 28. Finestra dell'operazione di ricerca della risonanza e impostazione della frequenza operativa:
a) - modalità automatica, b) - modalità manuale

In modalità Auto la frequenza dell'oscillatore viene automaticamente impostata uguale alla frequenza alla quale è stata osservata l'ampiezza massima delle oscillazioni della sonda. Un grafico che mostra la variazione dell'ampiezza delle oscillazioni della sonda in un dato intervallo di frequenza (Fig. 7-28a) consente di osservare la forma del picco risonante. Se il picco di risonanza non è sufficientemente pronunciato o l'ampiezza alla frequenza di risonanza è piccola ( meno di 1V), quindi è necessario modificare i parametri di misura e rideterminare la frequenza di risonanza.

Questa modalità è destinata a Manuale. Quando questa modalità è selezionata nella finestra Determinazione della frequenza di risonanza viene visualizzato il pannello aggiuntivo
(Fig. 7-28b), che consente di regolare i seguenti parametri:

Tensione di oscillazione della sonda data dal generatore. Si consiglia di impostare questo valore al minimo (fino a zero) e non superiore a 50 mV.

Guadagno di ampiezza ( Guadagno di ampiezza). Se l'ampiezza di oscillazione della sonda è insufficiente (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Guadagno di ampiezza.

Per avviare l'operazione di ricerca della risonanza, premere il pulsante Inizio.

Modalità Manuale consente di modificare manualmente la frequenza selezionata spostando il cursore verde sul grafico con il mouse, oltre a chiarire la natura della modifica dell'ampiezza di oscillazione in un ristretto intervallo di valori attorno alla frequenza selezionata (a tal fine, devi impostare l'interruttore Modalità manuale in posizione Esattamente e premere il pulsante Inizio).

6. Cattura dell'interazione

Per catturare l'interazione, la procedura di approccio controllato della sonda e del campione viene eseguita utilizzando il meccanismo di approccio automatizzato. La finestra di controllo per questa procedura viene richiamata premendo il pulsante sul quadro comandi. Quando si lavora con CCM, questo pulsante diventa disponibile dopo aver eseguito l'operazione di ricerca e aver impostato la frequenza di risonanza. Finestra CCM, capo(Fig. 7-29) contiene i controlli di avvicinamento della sonda, nonché le indicazioni dei parametri che consentono di analizzare l'andamento della procedura.

Riso. 7 29. Finestra di approccio alla sonda

Nella finestra fornitura L'utente ha la possibilità di monitorare i seguenti valori:

estensione dello scanner ( ScannerZ) lungo l'asse Z rispetto al massimo possibile, preso come unità. Il valore dell'allungamento relativo dello scanner è caratterizzato dal livello di riempimento dell'indicatore di sinistra con il colore corrispondente all'area in cui si trova attualmente lo scanner: verde - area di lavoro, blu - fuori area di lavoro, rosso - lo scanner si è avvicinato troppo alla superficie del campione, il che può causare la deformazione della sonda. In quest'ultimo caso, il programma emette un avviso acustico;

ampiezza di oscillazione della sonda rispetto all'ampiezza delle sue oscillazioni in assenza di interazione di forze, assunte come unità. Il valore dell'ampiezza relativa delle oscillazioni della sonda è mostrato sull'indicatore destro dal livello del suo riempimento in bordeaux. Segno orizzontale sull'indicatore Ampiezza di oscillazione della sonda indica il livello, al passaggio attraverso il quale viene eseguita l'analisi dello stato dello scanner e la sua uscita automatica in posizione di lavoro;

numero di passaggi ( wagi) passato in una determinata direzione: Avvicinamento - avvicinamento, Retrazione - allontanamento.

Prima di iniziare il processo di abbassamento della sonda, è necessario:

Verificare se i parametri di avvicinamento sono impostati correttamente:

Guadagno di feedback Guadagno del sistema operativo impostato su valore 3 ,

Assicurati che il parametro soppressioneAmpiezza (forza) ha un valore di circa 0,2 (vedi Fig. 7-29). In caso contrario, premere il pulsante Potenza e nella finestra Impostazione dei parametri di interazione (Figura 7-30) valore impostato soppressioneampiezza pari 0.2. Per un approccio più delicato, il valore del parametro soppressioneampiezza forse meno .

Verificare se le impostazioni sono corrette nella finestra dei parametri Parametri, pagina Approccio ai parametri.

Se c'è un'interazione o meno può essere determinato dall'indicatore di sinistra ScannerZ. Estensione completa dello scanner (l'intero indicatore ScannerZ colorato in blu), nonché un indicatore bordeaux completamente sfumato Ampiezza di oscillazione della sonda(Fig. 7-29) indicano nessuna interazione. Dopo aver eseguito la ricerca della risonanza e aver impostato la frequenza operativa, l'ampiezza delle vibrazioni libere della sonda viene presa come unità.

Se lo scanner non è completamente esteso prima o durante l'avvicinamento, oppure il programma visualizza un messaggio: 'Errore! La sonda è troppo vicina al campione. Verificare i parametri di avvicinamento o il nodo fisico. Vuoi spostarti in un luogo sicuro", si raccomanda di sospendere la procedura di avvicinamento e:

un. cambia una delle opzioni:

aumentare la quantità di interazione, parametro soppressioneampiezza, o

aumentare il valore Guadagno del sistema operativo, o

aumentare il tempo di ritardo tra le fasi di avvicinamento (parametro Tempo di integrazione Sulla pagina Approccio ai parametri finestra Parametri).

B. aumentare la distanza tra la punta della sonda e il campione (per fare ciò, seguire i passaggi descritti nel paragrafo ed eseguire l'operazione Risonanza, quindi tornare alla procedura fornitura.

Riso. 7 30. Finestra per impostare il valore di interazione tra sonda e campione

Dopo aver catturato l'interazione, il messaggio " Piombo completato”.

Se è necessario avvicinarsi di un passo, premere il pulsante. In questo caso, viene prima eseguito il passaggio, quindi vengono verificati i criteri per acquisire l'interazione. Per fermare il movimento, premere il pulsante. Per eseguire l'operazione di svincolo è necessario premere il pulsante per l'arretramento rapido

oppure premere il pulsante per la retrazione lenta. Se necessario, ritirare di un passo, premere il pulsante. In questo caso, viene prima eseguito il passaggio, quindi vengono verificati i criteri per acquisire l'interazione.

7. Scansione

Dopo aver completato la procedura di avvicinamento ( fornitura) e l'acquisizione dell'interazione, la scansione diventa disponibile (pulsante nella finestra del quadro strumenti).

Premendo questo pulsante (la vista della finestra di scansione è mostrata in Fig. 7-31), l'utente procede direttamente alla misurazione e all'ottenimento dei risultati della misurazione.

Prima di eseguire il processo di scansione, è necessario impostare i parametri di scansione. Queste opzioni sono raggruppate sul lato destro della barra superiore della finestra. Scansione.

La prima volta dopo l'avvio del programma, vengono installati per impostazione predefinita:

Area di scansione - Regione (Xnm*Ynm): 5000*5000 nm;

Quantità di puntimisurazioni lungo gli assi- X, Y: NX=100, New York=100;

Percorso di scansione - Direzione definisce la direzione di scansione. Il programma consente di selezionare la direzione dell'asse di scansione veloce (X o Y). Quando il programma si avvia, si installa Direzione

Dopo aver impostato i parametri di scansione, è necessario fare clic sul pulsante Applicare per confermare l'immissione dei parametri e il pulsante Inizio per avviare la scansione.

Riso. 7 31. Finestra per la gestione del processo e la visualizzazione dei risultati della scansione CCM

7.4 Linee guida

Leggi il manuale utente [Rif. 7-4].

7.5.Sicurezza

Il dispositivo è alimentato da una tensione di 220 V. Il microscopio con sonda a scansione NanoEducator deve essere utilizzato in conformità con PTE e PTB degli impianti elettrici di consumo con tensione fino a 1000 V.

7.6 Compito

1. Preparare i propri campioni biologici per gli studi SPM.

2. Esercitati con la progettazione generale del NanoEducator.

3. Familiarizzare con il programma di controllo NanoEducator.

4. Ottieni la prima immagine SPM sotto la supervisione di un insegnante.

5. Elaborare e analizzare l'immagine risultante. Quali forme di batteri sono tipiche della tua soluzione? Cosa determina la forma e la dimensione delle cellule batteriche?

6. Prendere Burgey's Bacteria Key e confrontare i risultati con quelli qui descritti.

7.7.Domande di controllo

1. Quali sono i metodi per studiare gli oggetti biologici?

2. Che cos'è la microscopia con sonda a scansione? Quale principio è alla base?

3. Denominare i componenti principali dell'SPM e il loro scopo.

4. Qual è l'effetto piezoelettrico e come viene applicato in SPM. Descrivere i diversi modelli di scanner.

5. Descrivere il design generale del NanoEducator.

6. Descrivere il sensore di interazione della forza e il suo principio di funzionamento.

7. Descrivere il meccanismo per avvicinare la sonda al campione nel NanoEducator. Spiegare i parametri che determinano la forza dell'interazione tra la sonda e il campione.

8. Spiegare il principio della scansione e il funzionamento del sistema di feedback. Parlaci dei criteri per la selezione delle opzioni di scansione.

7.8 Letteratura

Illuminato. 7 1. Paul de Kruy. Cacciatori microbici. M. Terra. 2001.

Illuminato. 7 2. Guida alle esercitazioni pratiche di microbiologia. Sotto la direzione di Egorov N.S. Mosca: Nauka, 1995.

Illuminato. 7 3. Holt J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Determinante dei batteri Burgey. M.: Mir, 1997. Vol. No. 2. C. 574.

Illuminato. 7 4. Manuale d'uso dello strumento NanoEducatore.oggetti. Nizhny Novgorod. Centro scientifico e didattico...

Dispense sul corso "Microscopia a scansione con sonda in biologia" Piano delle lezioni

Astratto

... scansionesondamicroscopia in biologia" Piano delle lezioni: Introduzione, storia dei confini SPM applicazioni... e nanostrutture, ricercabiologicooggetti: Premi Nobel... perricerca campione specifico: B scansionesondamicroscopiaper ...

Programma preliminare della xxiii conferenza russa sulla microscopia elettronica 1 giugno Martedì mattina 10 00 – 14 00 apertura del convegno discorso introduttivo

Programma

BP Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, VI Popenko Applicazionesonda e confocale scansionemicroscopiaperricerca processi di riparazione mediante innesti nanodispersi...

1a conferenza scientifica tutta russa Metodi per lo studio della composizione e della struttura dei materiali funzionali

Documento

MULTI-ELEMENTO OGGETTI NON RIFERIMENTO... Lyakhov N.Z. RICERCA NANOCOMPOSITI BIOLOGICAMENTE ATTIVO... Aliev V.Sh. APPLICAZIONE METODO SONDAMICROSCOPIEPERRICERCA EFFETTO... SCANSIONE CALORIMETRIA E CORRENTI TERMOSTIMOLATE PERRICERCA ...

I primi dispositivi che hanno permesso di osservare i nano-oggetti e di spostarli sono stati i microscopi a scansione di sonda: un microscopio a forza atomica e un microscopio a scansione a effetto tunnel operanti secondo un principio simile. La microscopia a forza atomica (AFM) è stata sviluppata da G. Binnig e G. Rohrer, che hanno ricevuto il Premio Nobel nel 1986 per questi studi. La realizzazione di un microscopio a forza atomica, in grado di sentire le forze di attrazione e repulsione che si creano tra i singoli atomi, ha permesso, infine, di "sentire e vedere" i nano-oggetti.

Figura 9. Principio di funzionamento di un microscopio con sonda a scansione (tratto da http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). La linea tratteggiata mostra il percorso del raggio laser. Altre spiegazioni nel testo.

La base dell'AFM (vedi Fig. 9) è una sonda, solitamente realizzata in silicio e che rappresenta una sottile piastra-consolle (è chiamata cantilever, dalla parola inglese "cantilever" - console, beam). All'estremità del cantilever (lunghezza » 500 µm, larghezza » 50 µm, spessore » 1 µm) è presente una punta molto acuminata (lunghezza » 10 µm, raggio di curvatura da 1 a 10 nm), che termina in un gruppo di uno o più atomi (vedi Fig. 10).

Figura 10. Microfotografie elettroniche della stessa sonda scattate a basso (alto) e alto ingrandimento.

Mentre la microsonda si muove lungo la superficie del campione, la punta della punta si alza e si abbassa, delineando il microrilievo della superficie, proprio come l'ago di un grammofono scorre su un disco di grammofono. All'estremità sporgente del cantilever (sopra la punta, vedi Fig. 9) c'è un'area speculare, sulla quale il raggio laser cade e viene riflesso. Quando il picco scende e sale sulle irregolarità della superficie, il raggio riflesso viene deviato e questa deflessione viene registrata da un fotorilevatore e la forza con cui il picco viene attratto dagli atomi vicini viene registrata da un sensore piezoelettrico.

I dati del fotorilevatore e del sensore piezoelettrico vengono utilizzati in un sistema di feedback in grado di fornire, ad esempio, un valore costante della forza di interazione tra la microsonda e la superficie del campione. Di conseguenza, è possibile costruire in tempo reale un rilievo tridimensionale della superficie del campione. La risoluzione del metodo AFM è di circa 0,1-1 nm in orizzontale e 0,01 nm in verticale. Un'immagine del batterio Escherichia coli ottenuta utilizzando un microscopio a sonda a scansione è mostrata in fig. undici.

Figura 11. Batterio E. coli ( Escherichia coli). L'immagine è stata ottenuta utilizzando un microscopio a sonda a scansione. Il batterio è lungo 1,9 µm e largo 1 µm. Lo spessore di flagelli e ciglia è rispettivamente di 30 nm e 20 nm.

Un altro gruppo di microscopi con sonda a scansione utilizza il cosiddetto "effetto tunnel" della meccanica quantistica per costruire la topografia della superficie. L'essenza dell'effetto tunnel è che la corrente elettrica tra un ago metallico appuntito e una superficie situata a una distanza di circa 1 nm inizia a dipendere da questa distanza: minore è la distanza, maggiore è la corrente. Se viene applicata una tensione di 10 V tra l'ago e la superficie, questa corrente di "tunneling" può variare da 10 pA a 10 nA. Misurando questa corrente e mantenendola costante, è possibile mantenere costante anche la distanza tra l'ago e la superficie. Ciò consente di costruire un profilo superficiale tridimensionale (vedi Fig. 12). A differenza di un microscopio a forza atomica, un microscopio a scansione a effetto tunnel può studiare solo le superfici di metalli o semiconduttori.

Figura 12. L'ago di un microscopio a scansione tunnel, posizionato a distanza costante (vedi frecce) sopra gli strati di atomi della superficie in studio.

Un microscopio a scansione a effetto tunnel può essere utilizzato anche per spostare un atomo in un punto scelto dall'operatore. Ad esempio, se la tensione tra la punta del microscopio e la superficie del campione viene resa leggermente maggiore del necessario per studiare questa superficie, l'atomo del campione più vicino ad esso si trasforma in uno ione e "salta" sull'ago. Successivamente, spostando leggermente l'ago e modificando la tensione, l'atomo fuoriuscito può essere fatto "saltare" di nuovo sulla superficie del campione. Pertanto, è possibile manipolare atomi e creare nanostrutture, ad es. strutture sulla superficie, aventi dimensioni dell'ordine di un nanometro. Già nel 1990, i dipendenti IBM hanno dimostrato che ciò era possibile sommando il nome della loro azienda su una piastra di nichel da 35 atomi di xeno (vedi Fig. 13).

Figura 13. 35 atomi di xeno su una lastra di nichel, il nome dell'azienda IBM, realizzati dai dipendenti di questa azienda utilizzando un microscopio a sonda a scansione nel 1990.

Usando un microscopio a sonda, non solo si possono muovere gli atomi, ma anche creare i prerequisiti per la loro auto-organizzazione. Ad esempio, se c'è una goccia d'acqua contenente ioni tioli su una lastra di metallo, la sonda del microscopio promuoverà un tale orientamento di queste molecole, in cui le loro due code di idrocarburi saranno allontanate dalla piastra. Di conseguenza, è possibile costruire un monostrato di molecole di tiolo che aderiscono alla piastra metallica (vedi Fig. 14). Questo metodo per creare un monostrato di molecole su una superficie metallica è chiamato "nanolitografia a penna".

Figura 14. In alto a sinistra - cantilever (grigio-acciaio) di un microscopio con sonda a scansione sopra una lastra di metallo. Sulla destra c'è un'immagine ingrandita dell'area (cerchiata in bianco nella figura a sinistra) sotto la sonda a sbalzo, che mostra schematicamente molecole di tiolo con code di idrocarburi viola allineate in un monostrato sulla punta della sonda. Adattato da Scientific American, 2001, settembre, p. 44.

Microscopio a sonda a scansione

La direzione più giovane e allo stesso tempo promettente nello studio delle proprietà della superficie è la microscopia a scansione di sonda. I microscopi a sonda hanno una risoluzione record inferiore a 0,1 nm. Possono misurare l'interazione tra una superficie e una punta microscopica che la scansiona - una sonda - e visualizzare un'immagine tridimensionale sullo schermo di un computer.

I metodi di microscopia a sonda consentono non solo di vedere atomi e molecole, ma anche di influenzarli. In questo caso, cosa particolarmente importante, gli oggetti possono essere studiati non necessariamente nel vuoto (cosa usuale per i microscopi elettronici), ma anche in vari gas e liquidi.

Il microscopio a tunneling a scansione di sonda è stato inventato nel 1981 da G. Binning e H. Rohrer (USA), dipendenti dell'IBM Research Center. Cinque anni dopo, hanno ricevuto il Premio Nobel per questa invenzione.

Binning e Rohrer hanno tentato di progettare un dispositivo per lo studio di aree di superficie inferiori a 10 nm. Il risultato ha superato le più rosee aspettative: gli scienziati sono stati in grado di vedere singoli atomi, la cui dimensione è solo di circa un nanometro. Il funzionamento di un microscopio a scansione tunnel si basa su un fenomeno quantomeccanico chiamato effetto tunnel. Una punta di metallo molto sottile - una sonda carica negativamente - viene portata a una distanza ravvicinata dal campione, anch'esso metallico, caricato positivamente. In quel momento, quando la distanza tra loro raggiunge diverse distanze interatomiche, gli elettroni inizieranno a attraversarlo liberamente - "tunnel": una corrente scorrerà attraverso lo spazio vuoto.

La forte dipendenza dell'intensità della corrente di tunneling dalla distanza tra la punta e la superficie del campione è molto importante per il funzionamento del microscopio. Se il divario viene ridotto di soli 0,1 nm, la corrente aumenterà di circa 10 volte. Pertanto, anche irregolarità delle dimensioni di un atomo causano notevoli fluttuazioni nell'entità della corrente.

Per ottenere un'immagine, la sonda scansiona la superficie e il sistema elettronico legge la corrente. A seconda di come cambia questo valore, la punta scende o sale. Pertanto, il sistema mantiene costante il valore della corrente e la traiettoria del movimento della punta segue il rilievo della superficie, piegandosi attorno a colline e depressioni.

La punta muove un piezoscanner, che è un manipolatore fatto di un materiale che può cambiare sotto l'influenza di una tensione elettrica. Uno scanner piezo spesso assume la forma di un tubo con diversi elettrodi che si allunga o si piega, spostando la sonda in diverse direzioni con una precisione di millesimi di nanometro.

Le informazioni sul movimento della punta vengono convertite in un'immagine della superficie, che viene costruita punto per punto sullo schermo. Per chiarezza, le sezioni di diverse altezze sono dipinte in diversi colori.

Idealmente, dovrebbe esserci un atomo immobile all'estremità della punta della sonda. Se ci sono più sporgenze all'estremità dell'ago, l'immagine può raddoppiare o triplicare. Per eliminare il difetto, l'ago viene inciso in acido, dandogli la forma desiderata.

Con l'aiuto di un microscopio tunnel, sono state fatte numerose scoperte. Ad esempio, hanno scoperto che gli atomi sulla superficie di un cristallo sono disposti in modo diverso rispetto all'interno e spesso formano strutture complesse.

Con l'aiuto di un microscopio a effetto tunnel si possono studiare solo oggetti conduttivi. Tuttavia, consente anche di osservare sottili dielettrici sotto forma di pellicola quando sono posti sulla superficie di un materiale conduttore. E sebbene questo effetto non sia stato ancora completamente spiegato, tuttavia viene utilizzato con successo per studiare molti film organici e oggetti biologici: proteine, virus.

Le possibilità del microscopio sono grandi. Con l'aiuto di un ago da microscopio, i disegni vengono applicati anche su lastre di metallo. Per fare ciò, i singoli atomi vengono utilizzati come materiale di "scrittura": vengono depositati sulla superficie o rimossi da essa. Così, nel 1991, i dipendenti IBM hanno scritto atomi di xeno sulla superficie di una lastra di nichel con il nome della loro azienda: IBM. La lettera "I" era composta da soli 9 atomi e le lettere "B" e "M" - 13 atomi ciascuna.

Il passo successivo nello sviluppo della microscopia a scansione di sonda è stato compiuto nel 1986 da Binning, Kveit e Gerber. Hanno creato il microscopio a forza atomica. Se in un microscopio a tunnel il ruolo decisivo è giocato dalla forte dipendenza della corrente di tunneling dalla distanza tra la sonda e il campione, allora per il microscopio a forza atomica la dipendenza della forza di interazione dei corpi dalla distanza tra di loro è di importanza decisiva.

La sonda di un microscopio a forza atomica è una piastra elastica in miniatura, un cantilever. Inoltre, una delle sue estremità è fissa, mentre all'altra estremità è formata una punta di sondaggio da un materiale solido: silicio o nitruro di silicio. Quando la sonda viene spostata, le forze di interazione tra i suoi atomi e la superficie irregolare del campione piegheranno la piastra. Realizzando tale movimento della sonda, quando la deflessione rimane costante, è possibile ottenere un'immagine del profilo della superficie. Questa modalità di funzionamento del microscopio, denominata modalità di contatto, consente di misurare, con una risoluzione di frazioni di nanometro, non solo il rilievo, ma anche la forza di attrito, l'elasticità e la viscosità dell'oggetto in studio.

La scansione a contatto con il campione porta molto spesso alla sua deformazione e distruzione. L'impatto della sonda sulla superficie può essere utile, ad esempio, nella fabbricazione di microcircuiti. Tuttavia, la sonda può facilmente rompere il sottile film polimerico o danneggiare il batterio, provocandone la morte. Per evitare ciò, il cantilever viene portato in oscillazione risonante in prossimità della superficie e viene registrata la variazione di ampiezza, frequenza o fase delle oscillazioni causate dall'interazione con la superficie. Questo metodo permette di studiare i microbi viventi: un ago oscillante agisce su un batterio come un leggero massaggio, senza causare danni, e permette di osservarne il movimento, la crescita e la divisione.

Nel 1987, I. Martin e K. Vikrama-singh (USA) hanno suggerito di utilizzare un microago magnetizzato come punta di sondaggio. Il risultato è stato un microscopio a forza magnetica.

Un tale microscopio consente di vedere singole regioni magnetiche nel materiale - domini - fino a 10 nm di dimensione. Viene anche utilizzato per la registrazione ultra-densa di informazioni formando domini sulla superficie della pellicola utilizzando i campi di un ago e un magnete permanente. Tale registrazione è centinaia di volte più densa rispetto ai moderni dischi magnetici e ottici.

Nel mercato mondiale della micromeccanica, dove comandano colossi come IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments, c'era posto anche per la Russia. La voce della piccola ditta MDT di Zelenograd vicino a Mosca si sente sempre più forte.

"Copiamo su un piatto, 10 volte più piccolo di un capello umano, un disegno su roccia realizzato dai nostri lontani antenati", suggerisce Denis Shabratov, capo tecnologo. - Il computer controlla la "spazzola", la sonda - un ago lungo 15 micron, con un diametro di centesimi di micron. L'ago si muove lungo la "tela", e dove tocca, appare una macchia delle dimensioni di un atomo. A poco a poco, sullo schermo appare un cervo, seguito dai cavalieri.

MDT è l'unico produttore di microscopi e sonde per sonde nel paese. Lei è uno dei quattro leader mondiali. I prodotti dell'azienda vengono acquistati negli Stati Uniti, in Giappone, in Europa.

E tutto è iniziato con il fatto che Denis Shabratov e Arkady Gologanov, giovani ingegneri di uno degli istituti di Zelenograd in crisi, pensando a come vivere, hanno scelto la micromeccanica. Loro, non senza ragione, la consideravano la direzione più promettente.

"Non avevamo complessi che avremmo dovuto competere con concorrenti forti", ricorda Gologanov. – Certo, la nostra attrezzatura è inferiore a quella di importazione, ma d'altra parte costringe ad essere astuti, ad usare il proprio cervello. E di certo non sono peggio di noi. E la prontezza ad arare più che sufficiente. Lavoravano giorno e notte, senza giorni di riposo. La cosa più difficile non era nemmeno fare una sonda superminiaturizzata, ma venderla. Sappiamo che il nostro è il migliore del mondo, lo urliamo su Internet, bombardiamo i clienti con i fax, in una parola, ci prendiamo a calci le gambe come quella rana: zero attenzione.

Quando hanno saputo che uno dei leader nella produzione di microscopi, l'azienda giapponese Joyle, era alla ricerca di aghi di forma molto complessa, hanno capito che questa era la loro occasione. L'ordine è costato molta forza e nervi, ma ha ricevuto una miseria. Ma i soldi non erano la cosa principale, ora potevano dichiarare a squarciagola: la famosa Joyle è nostra cliente. Allo stesso modo, per quasi un anno e mezzo, MDT ha prodotto gratuitamente sonde speciali per il National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti. E un nuovo grande nome è apparso nell'elenco dei clienti.

"Ora il flusso degli ordini è tale che non possiamo più soddisfare tutti", afferma Shabratov. - Ahimè, questa è la specificità della Russia. L'esperienza ha dimostrato che per noi ha senso produrre prodotti ad alta intensità scientifica in piccoli lotti, mentre la produzione di massa dovrebbe essere stabilita all'estero, dove non ci sono interruzioni nelle forniture, la loro bassa qualità e subappaltatori opzionali".

L'emergere della microscopia a scansione con sonda ha coinciso con successo con l'inizio del rapido sviluppo della tecnologia informatica, aprendo nuove possibilità per l'utilizzo dei microscopi a sonda. Nel 1998, il modello di microscopio a sonda a scansione FemtoScan-001 è stato creato presso il Center for Advanced Technologies (Mosca), anch'esso controllato tramite Internet. Ora, ovunque nel mondo, un ricercatore sarà in grado di lavorare su un microscopio e chiunque lo desideri potrà “guardare” nel microcosmo senza uscire dal computer.

Oggi, tali microscopi sono utilizzati solo nella ricerca scientifica. Con il loro aiuto vengono fatte le scoperte più sensazionali in genetica e medicina, vengono creati materiali con proprietà sorprendenti. Tuttavia, si prevede una svolta nel prossimo futuro, principalmente in medicina e microelettronica. Appariranno microrobot, che consegneranno farmaci attraverso i vasi direttamente agli organi malati, verranno creati supercomputer in miniatura.

Dal libro 100 grandi invenzioni autore Ryzhov Konstantin Vladislavovich

28. MICROSCOPIO Più o meno nello stesso periodo in cui iniziarono le esplorazioni spaziali con i telescopi, si fecero i primi tentativi di svelare i segreti del micromondo con le lenti.È noto che i piccoli oggetti, anche se ben illuminati, inviano un raggio troppo debole a l'occhio

Dal libro Great Soviet Encyclopedia (IO) dell'autore TSB

Dal libro Great Soviet Encyclopedia (MI) dell'autore TSB

Dal libro Great Soviet Encyclopedia (TE) dell'autore TSB

Dal libro Great Soviet Encyclopedia (EL) dell'autore TSB

Dal libro Tutto su tutto. Volume 2 l'autore Likum Arkady

Dal libro Stampa satirica sovietica 1917-1963 autore Stykalin Sergey Ilic

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