Formación de Nanorobotics y de Nanostructure con AFM Nanomanipulation

Los microscopios Atómicos de la fuerza (AFMs) son los más de uso frecuente para la proyección de imagen de alta resolución y la caracterización superficial detallada, pero pronto después de que su invención él fuera reconocida que podrían también ser utilizados para cambiar, para obrar recíprocamente con, y para controlar la materia del nanoscale. Un ejemplo temprano bien conocido de esto era el logotipo de IBM escrito con los átomos del Xenón por el grupo del ` s de Don Eigler en el Centro de Investigación de IBM Almadén. El grupo del Lars Samuelson en la Universidad de Lund sugirió que fuera posible construir nano-objetos con más grande, que molecular-clasificara bloques huecos y que los ensamble con un AFM en condiciones ambiente.

Un grupo en la Universidad del Laboratorio de California Meridional para la Robótica Molecular (LMR) dirigida por Aristides Requicha y Bruce Koel ha estado investigando esta aproximación por varios años. Su investigación se centró en el revelado de los sistemas de alto nivel para programar un AFM como robot sensorial, y la aplicación de estos sistemas a los problemas desafiadores del nanomanipulation, tales como prototipos del edificio para los nanosystems.

Una punta del AFM se puede utilizar vía diversos mecanismos para modificar superficies con la resolución del nanómetro. Las Tareas tales como activar y tracción o corte y melladura pueden ser realizadas, y los objetos del nanoscale se pueden mover mecánicamente por la punta de la antena del AFM. La punta del AFM puede servir como mano robótica colocar exacto nano-objetos y ensamblarlos bajo control informático.

La manipulación del AFM plantea un problema interesante en robótica, sin embargo. Puede ser comparada a un robot movible (e.g., un helicóptero) correlacionando un terreno y navegando sobre ella usando solamente el radar de la altitud y cómputo muerto en presencia de incertidumbres espaciales grandes. El sistema nanorobotic incluye los substratos que sirven como nano-mesas de trabajo en las cuales poner los objetos que se manipularán (análogo a los accesorios en el mundo del macrorobotics); inclina, las antenas, y las moléculas que sirven comprender otras, y funciona como las pinzas o los efectores finales; procesos de la substancia química y de la comprobación nanoassembly; del primitivo operaciones nanoassembly (análogas a las operaciones del ensamble de macroinstrucciones tenga gusto de las inserciones del espiga-en-agujero); métodos para explotar al uno mismo-ensamblaje para combate la incertidumbre espacial (análoga a la concordancia mecánica en el macroworld); primitivos de la dotación física para los nanostructures constructivos; y software para la interpretación, las hojas de operación (planning) del movimiento, y actuar sensoriales (es decir, impulsando el AFM).

Los investigadores de LMR desarrollaron los métodos para colocar los nanoparticles coloidales (típicamente coloides del oro con los diámetros 5-30nm) exactamente y seguro en los substratos de la mica y de silicio, en aire ambiente o ambientes líquidos. Los experimentos conducto con una CP-Investigación AFM n TappingMode usando los voladizos triangularmente dados forma del silicio con un constante del muelle de aproximadamente 13,0 N/m^-1y de una frecuencia de la resonancia alrededor 340 kilociclos. Estos voladizos relativamente derechos mostraron los mejores resultados para activar mecánico.

La Manipulación de los nanoparticles del oro fue realizada utilizando el software de NanoMove del grupo de LMR. El software agrega varias características únicas al instrumento para activar la manipulación. NanoMove da a utilizador la capacidad 1) al mando la operación del feedback, 2) realiza la uno-línea exploraciones en cualquier dirección arbitraria en el plan X-Y; y 3) detecta diversas señales simultáneamente con la manipulación.

El Cuadro 1 muestra la interfaz de usuario de NanoMove. El menú correcto superior muestra la ventana del mando principal y de la operación para la proyección de imagen y la manipulación.

Cuadro 1. La interfaz de usuario del software de NanoMove.

Después de registrar una imagen de la topografía, el utilizador puede drenar una flecha en la imagen (véase la flecha roja en la ventana superior izquierdo) para determinar la trayectoria de la manipulación. La flecha dicta la dirección y la longitud de la línea de exploración, y se puede mover por el operador en la dirección de X y de Y hasta que la topografía visualizada indique que su camino está centrado sobre la partícula. Dos barras se colocan a lo largo de la línea de exploración, mostrando el rango de las condiciones de funcionamiento alternativas para el AFM, donde las puntas del” comienzo” y del” extremo” de la manipulación pueden ser seleccionadas. Se apaga momentos antes que la punta explora a través de la partícula, y se cambia el feedback detrás conectado después de alcanzar la posición lateral deseada (véase el Cuadro 2).

El Cuadro 2. Proyección De Imagen ocurre con el mando de feedback conectado. Apagar el feedback permite activar mecánico del nanoparticle.

Se recomienda un ajuste del modo de contacto en caso de que las partículas y las estructuras una quieran manipular se asocien fuertemente a la superficie subyacente. Hay varios diversos protocolos de la manipulación en el software de NanoMove. Uno puede seleccionar cualquier un protocolo del feedback-lejos, con o sin el movimiento directo adicional del analizador, o a feedback-en protocolo, con el movimiento indirecto del analizador. En estos experimentos, el ajuste de TappingMode fue elegido porque los nanoparticles no pueden ser reflejados exactamente en modo de contacto, y se reemplaza durante la proyección de imagen debido a la presencia de fuerzas de resistencia laterales.

El Cuadro 3 muestra la manipulación de un nanoparticle del diámetro 30nm usando los parámetros apropiados de la operación, las partículas se puede incluso empujar hacia arriba un paso de progresión 10nm en la superficie. La altura del paso de progresión y la talla de partícula están de la misma orden, y el experimento es así un primer paso de progresión hacia la construcción mecánica de estructuras tridimensionales.

Cuadro 3. Una partícula del oro 30nm (a) antes y (b) después de ser activado sobre un alto paso de progresión 10nm a lo largo de la dirección indicada por la flecha. Las tallas de la Imagen son ambos 1μm x 0.5μm.

Al ir hacia abajo a la escala del nanómetro las fuerzas físicas que son dominantes en la macroescala llegan a ser insignificantes. AFMs proporciona a la capacidad de estudiar a los mecánicos en nanoscale. Observando la diversa punta hace señales (e.g., la amplitud y las señales de la desviación) durante la operación de la manipulación y analizando los cambios, es posible estudiar el mecanismo de la manipulación.

En una serie de los papeles el grupo de LMR estudió los fenómenos de la manipulación del AFM implicados en activar un nanoparticle. Observaron que cuando la punta está oscilando relativamente lejos de la superficie, la amplitud disminuye mientras que la punta se acerca a la partícula pero la partícula no se mueve. Cuando la punta está suficientemente cerca de la superficie, la amplitud de la vibración va a cero mientras que se acerca la partícula. La desviación voladiza de DC se convierte en no-cero, y los movimientos de la partícula, mientras la desviación esté encima de cierto dependiente del umbral en las características voladizas y otras del ajuste. Los cambios en amplitud de la vibración y la desviación de DC del voladizo se pueden utilizar para vigilar la manipulación en tiempo real, y sin proyección de imagen adicional verifique con un alto nivel de confianza que sea acertado. Los estudios mostraron que la manipulación de nanoparticles ocurre deslizando y no por un mecanismo del balanceo.

Nanoparticles es bloques huecos atractivos para los nanostructures porque 1) allí es muchos métodos sabidos para sintetizar nanoparticles con una variedad de características (e.g., metálico, semiconductor, o magnético) y el estado plus ultra está mejorando constantemente; 2) las partículas tienen más tallas uniformes (es decir, está más monodisperse) que las estructuras de las tallas comparables hechas por técnicas competentes tales como litografía del electrón-haz; y 3) los modelos planares arbitrarios de nanoparticles se pueden construir por el nanomanipulation usando los protocolos discutidos arriba.

La manipulación del AFM puede ser una herramienta para la fabricación de los modelos de los nanoparticles. El Cuadro 4 muestra un ejemplo de la manipulación de las partículas aleatoriamente depositadas del oro en un substrato de la mica. Las partículas del oro del diámetro 15nm fueron activadas de una posición al azar inicial para formar el logotipo de USC.

Cuadro 4. Un modelo al azar de las bolas del oro 15nm que fue convertido en el modelo del logotipo de “USC” por una serie de activar ordena.

Los investigadores de LMR también estudiaron la posibilidad de usar el nanomanipulation para el almacenamiento de datos. El Cuadro 5 muestra la construcción de un modelo que codifique caracteres de ASCII en filas horizontales de nanoparticles en una superficie. La presencia de una partícula en un nodo de una 2.a matriz regular se interpreta como un “1,” y su ausencia como “0.” El modelo, leído en de arriba a abajo codifica “LMR.” Las partículas tienen diámetros de 15nm, y los nodos de la matriz se espacian con un tono 100nm. La densidad real está por orden de 60 Gb/in²y debe ser posible aumentar esta densidad cerca sobre un orden de magnitud usando partículas más pequeñas y una separación más apretada. Esto daría las entidades que se acercan al Tb/in². Esta técnica del almacenamiento digital es un candidato a un NanoCD editable. Sin Embargo, hay los obstáculos que se deben superar para que sea prácticos.

El Cuadro 5. a) Los caracteres “LMR” ASCII codificados en filas de nanobits, y b) el trazo obtuvo leyendo la segunda fila con un AFM.

La aproximación de la manipulación se puede ampliar a la fabricación 3D. El grupo de LMR demostró la construcción de una estructura 3D por la manipulación controlada de únicos nanoparticles (véase el Cuadro 6).

El Cuadro 6. proyección de la imagen 3D de una pirámide tiene gusto de la estructura. La preparación ocurrió activando un nanoparticle 30nm hacia arriba entre dos otros.

Sin Embargo, la manipulación de características asimétrico dadas forma es más complicada. Los nanorods del Oro, 100nm de largo y 10nm en diámetro, fueron utilizados por los investigadores de LMR para estudiar la manipulación de nanoobjects alargados (véase el Cuadro 7).

Cuadro 7. Una serie de las imágenes de SFM (talla de 500nm x de la exploración de 500nm) que visualizan la manipulación de cuatro nanorods del oro. Las flechas en cada imagen muestran a dirección de la manipulación esa resultados en la configuración de la varilla en la imagen siguiente: (a) Ordenación Inicial de las varillas; (b) resultado de manipulaciones de translación de “1" a lo largo de él eje longitudinal de s y “2" eje de los acrossthis; (c) resultados de las operaciones rotatorias de la manipulación de las cuatro varillas por 45°, en relación con su orientación original. La escala de la altura de negro al blanco es 10nm.

La manipulación De Translación de un nanorod sin la rotación ocurre siempre que la punta golpee el nanorod en su centro. En estos experimentos, fue encontrado que era más fácil traducir las varillas cuando la dirección que activaba estaba a lo largo del eje longitudinal que cuando el activar era transversal hecho a este eje. Esto es porque es fácil localizar la punta más alta a través del ancho de la varilla (que es el centro de la varilla). Por Lo Tanto, el resultado de la manipulación longitudinal era a menudo traslación perfecta mientras que la manipulación transversal causó a menudo una combinación de la traslación y de la rotación. Esta información sobre la manipulación de la varilla es importante para ensamblar un nanostructure funcional. Será complicada algo para construir tales estructuras con los nanorods, porque después de que las varillas se coloquen áspero; los movimientos subsiguientes pueden tener que especificar la posición y el ángulo de los nanorods.

Como se mencionó anteriormente, una punta del AFM se puede también utilizar para cortar o para doblar los materiales suaves, tales como polímeros, DNA, y los nanotubes. El Cuadro 8 muestra la operación del corte del plásmido de la DNA. Puede ser visto que el resultado del corte es demasiado tosco. Una mejor aproximación sería utilizar las enzimas para cortar la muestra biológica conjuntamente con una antena del AFM para seleccionar el sitio exacto para la modificación. Cuadro 9 demostraciones una punta del AFM que está bajo mando de NanoMove que dobla un nanotube.

Cuadro 8. Usando una punta del AFM para cortar el plásmido.

Cuadro 9. Usando una punta del AFM para doblar nanotubes.

La Manipulación de nanoparticles se puede también utilizar para construir los prototipos de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. De hecho, muchos de los dispositivos nanoelectronic existentes han confiado en la ocasión de poner un elemento en el lazo deseado con otros o de haber utilizado la manipulación del AFM. Por ejemplo, la colocación de un nanoparticle en las distancias el hacer un túnel entre dos electrodos (fuente y desagüe) se puede utilizar para hacer un transistor del único-electrón (SET). El Cuadro 10 muestra las imágenes del AFM que fueron tomadas durante la manipulación de dos partículas en una separación de una estructura del CONJUNTO.

El Cuadro 10. Camina en la manipulación de dos partículas del oro en una única unión de transistor (SET) del electrón.

Una aproximación similar fue utilizada para otro sistema de prototipo. El grupo de LMR y el grupo de Atwater en Caltech colaboraron en la fabricación de un guía de ondas “plasmonic” poniendo nanoparticles coloidales del oro del diámetro 30nm en las distancias iguales de uno a en un encadenamiento, con una partícula fluorescente del látex 100nm en el extremo del encadenamiento. La Energía en una longitud de onda en el rango visible se inyecta en la partícula del oro en un extremo del encadenamiento, y propaga a través del encadenamiento explotando efectos de campo cercano. La propagación es detectada observando la fluorescencia de la bola del látex. El guía de ondas se puede también construir usando la litografía del e-haz para fabricar nanostructures del oro, pero la punta del AFM todavía se necesita para manipular el borde fluorescente del látex al extremo de la estructura (véase el Cuadro 11). Por Lo Tanto, el uso de la manipulación del AFM es crucial para la construcción del prototipo. Este nanowaveguide es único porque tiene dimensiones transversales mucho más pequeñas que el límite de difracción para las longitudes de onda (centenares de nanómetro) se están estudiando que. Puede también servir introducir la luz a las máquinas moleculares individuales sin la excitación de otras máquinas en la misma vecindad.

Cuadro 11 guía de ondas de Plasmonic: (a) Diagrama Esquemático de un guía de ondas plasmonic, (b) micrográfos de SEM de los nanostructures fabricados litografía del oro del e-haz, y (c) imagen del AFM de un borde del látex (marcado por la flecha amarilla) que fue manipulado al extremo de la matriz de los nanostructures del oro.

Aunque los modelos de nanoparticles desatados pueden ser útiles, muchas aplicaciones requieren nanostructures “sólidos” de dimensiones de una variable específicas. Éstos se pueden aproximar por los grupos de nanoparticles convenientemente colocados y conectados. El grupo de LMR investigó varias aproximaciones a la conexión. El primer utiliza la vinculación covalente a una máquina para hacer chorizos. Por ejemplo, las partículas del oro se pueden conectar con los dithiols (moléculas orgánicas con el azufre en ambos extremos). Los dithiols uno mismo-ensamblan el oro y el servicio como pegamento químico. Dos variantes de esta aproximación fueron demostradas: 1) depositando las partículas, colocándolas, y después sumergiendo la muestra en la solución del dithiol para conectarlas; o 2) depositando las partículas, aplicando los dithiols, y después manipulando las partículas en contacto conectado. Fue encontrado que es de hecho posible activar un grupo de nanoparticles conectados por los dithiols en conjunto. Estos resultados demuestran al ensamblaje jerárquico en el nanoscale (es decir, la construcción de ensamblajes de los componentes, que son ellos mismos subconjuntos de otros componentes o de bloques huecos primitivos).

La segunda aproximación a la conexión también utiliza al uno mismo-ensamblaje selectivo. El material Adicional se deposita en las partículas hasta que se conecten. El material y las condiciones experimentales se deben seleccionar para asegurarse de que el material ensambla las partículas pero no el resto de la muestra. Por ejemplo, un modelo de los nanoparticles del oro se puede utilizar como modelo para la deposición no electrolítica del oro adicional (véase el Cuadro 12).

Cuadro 12. Imágenes de SFM (talla de la exploración del 1μm del x 1μm) que visualizan partículas coloidales del oro 8nm en SiO₂como depositado aleatoriamente (ido), después de la manipulación de trece partículas para formar un nanotemplate del cable (centro), y después de 5 minutos en la solución sembrada (correcta).

Los cables del Oro de la geometría arbitraria pueden ser construidos primero manipulando las partículas en la geometría deseada y en seguida conectándolas por la inmersión de la muestra en la solución no electrolítica a un conjunto de parámetros específico, tales como tiempo de la inmersión, concentración, y así sucesivamente.

Muy recientemente aplicaciones descubiertas una tercera aproximación que sinterizan para conectar nanoparticles fluorescentes del látex. Las partículas primero se manipulan para formar un modelo deseado. El modelo entonces se calienta, fundiendo las partículas juntas en un único nanostructure (véase el Cuadro 13).

Cuadro 13. Serie de las imágenes del AFM que muestran la construcción de un nanostructure 3D: a) partículas aleatoriamente depositadas, b) después de la manipulación, c) después de sinterizar en 160 el ± 2ºC por 10 minutos, d) después de que una única partícula sea ` activado' encima de la isla.

Con certeza las aplicaciones es necesario asegurarse de que los nanocomponents son fijos en el substrato. Esto se puede también hacer por el uno mismo-ensamblaje selectivo. Un material que ensambla el substrato pero no se utilizan las partículas, así embutiendo las partículas en una capa delgada. El grupo de LMR demostró la partícula que embutía en una capa del óxido de silicio por las primeras partículas de depósito y que las manipulaba, después depositando una capa monomolecular de un silano (una molécula orgánica que contiene los átomos del silicio que asocia solamente al substrato), y finalmente oxidando la capa del silano. Las capas Sucesivas fueron utilizadas para embutir las partículas para una nueva técnica rápida propuesta de la creación de un prototipo en el nanoscale, llamadas nanofabricación acodada o LNF (véase el Cuadro 14). Los objetos Tridimensionales fueron fabricados por la manipulación del nanoparticle, y cada capa planarized agregando una capa sacrificatoria molecular cuya superficie superior sirvió como soporte para la fase de tratamiento siguiente. Las capas sacrificatorias fueron quitadas en un paso de progresión final. Así, los investigadores demostraron que es posible construir capas sacrificatorias y manipular nanoparticles del oro encima de ellas (véase el Cuadro 15).

Cuadro 14. Vista Esquemática del procedimiento que embute de nanoparticles en una matriz₂de SiO.

Cuadro 15. Las imágenes del AFM y la línea correspondiente explora visualizar la construcción acertada de una dos-partícula, olumna recta activando la partícula” 1" encima de la partícula” 2". La talla de la exploración es 600nm x 600nm, y la escala de la altura es 6nm de negro al blanco.