Formação de Nanorobotics e de Nanostructure com AFM Nanomanipulation

Os microscópios Atômicos da força (AFMs) são os mais usados frequentemente para a imagem lactente de alta resolução e caracterização de superfície detalhada, mas logo depois que sua invenção ele foi reconhecida que poderiam igualmente ser usados para mudar, interagir com, e para controlar a matéria do nanoscale. Um exemplo adiantado conhecido deste era o logotipo do IBM escrito com os átomos do Xénon pelo grupo do ` s de Don Eigler no Centro de Pesquisa do IBM Almadén. O grupo do Lars Samuelson na Universidade de Lund sugeriu que fosse possível construir nano-objetos com maior, molecular-fizesse sob medida blocos de apartamentos e os montasse com um AFM em circunstâncias ambientais.

Um grupo na Universidade do Laboratório de Califórnia Do Sul para a Robótica Molecular (LMR) dirigida por Aristides Requicha e por Bruce Koel tem investigado esta aproximação por diversos anos. Sua pesquisa centrou-se sobre a revelação de sistemas de nível elevado para programar um AFM como um robô sensorial, e a aplicação destes sistemas aos problemas desafiantes do nanomanipulation, tais como protótipos da construção para nanosystems.

Uma ponta do AFM pode ser usada através dos mecanismos diferentes para alterar superfícies com definição do nanômetro. As Tarefas tais como a empurrão e puxar ou a estaca e recortar podem ser executadas, e os objetos do nanoscale podem mecanicamente ser movidos pela ponta da ponta de prova do AFM. A ponta do AFM pode servir como uma mão robótico para posicionar precisamente nano-objetos e montá-los sob o controle de computador.

A manipulação do AFM levanta um problema interessante na robótica, contudo. Pode ser comparada a um robô móvel (por exemplo, um helicóptero) traçando um terreno e navegando sobre ela usando somente o radar da altura e a conta inoperante na presença das grandes incertezas espaciais. O sistema nanorobotic inclui as carcaças que servem como as nano-bancadas em que para colocar os objetos a ser manipulados (análogo aos dispositivos elétricos no mundo do macrorobotics); derruba, pontas de prova, e moléculas que servem para agarrar outro, e funcionam como prendedores ou terminais; processos do produto químico e do exame nanoassembly; do primitivo operações nanoassembly (análogas às operações do macroassembly goste de inserções do Peg-em-furo); métodos para explorar o auto-conjunto para combater a incerteza espacial (análoga à conformidade mecânica no macroworld); primitivos do hardware para nanostructures de construção; e software para a interpretação sensorial, o planeamento do movimento, e a actuação (isto é, conduzindo o AFM).

Os pesquisadores de LMR desenvolveram métodos para posicionar os nanoparticles coloidais (tipicamente colóides do ouro com diâmetros 5-30nm) exactamente e confiantemente sobre carcaças de mica e de silicone, no ar ambiental ou em ambientes líquidos. As experiências foram conduzidas com uma CP-Pesquisa AFM n TappingMode usando modilhões triangular dados forma do silicone com uma constante da mola de aproximadamente 13,0 N/m^-1e de uma freqüência da ressonância ao redor 340 quilohertz. Estes modilhões relativamente duros mostraram os melhores resultados para a empurrão mecânica.

A Manipulação dos nanoparticles do ouro foi executada utilizando o software do NanoMove do grupo de LMR. O software adiciona diversas características originais ao instrumento para permitir a manipulação. NanoMove dá ao usuário a capacidade a 1) controle a operação do feedback, 2) execute a um-linha varreduras em todo o sentido arbitrário no plano X-Y; e 3) adquira vários sinais simultaneamente com a manipulação.

Figura 1 mostra a interface de utilizador de NanoMove. O menu direito superior mostra o indicador do controle principal e da operação para a imagem lactente e a manipulação.

Figura 1. A interface de utilizador do software de NanoMove.

Após ter gravado uma imagem da topografia, o usuário pode desenhar uma seta na imagem (veja a seta vermelha no indicador esquerdo superior) para determinar a trajectória da manipulação. A seta dita o sentido e o comprimento da linha de varredura, e pode ser movida pelo operador no sentido de X e de Y até que a topografia indicada indique que seu trajecto está centrado sobre a partícula. Duas barras são posicionadas ao longo da linha de varredura, mostrando a escala de condições de funcionamento alternativas para o AFM, onde os pontos do” começo” e da” extremidade” da manipulação podem ser seleccionados. O feedback é desligado imediatamente antes que a ponta faz a varredura através da partícula, e comutado para trás sobre após ter alcançado a posição lateral desejada (veja Figura 2).

A Figura 2. Imagem Lactente ocorre com o controle de feedback sobre. Desligar o feedback permite a empurrão mecânica do nanoparticle.

Uma instalação do modo de contacto é recomendada caso que as partículas e as estruturas uma querem manipular são anexadas fortemente à superfície subjacente. Há diversos protocolos diferentes da manipulação no software de NanoMove. Um pode seleccionar um ou outro um protocolo do feedback-fora, com ou sem o movimento directo adicional do varredor, ou a feedback-no protocolo, com movimento indirecto do varredor. Nestas experiências, a instalação de TappingMode foi escolhida porque os nanoparticles não podem ser imaged exactamente no modo de contacto, e é substituída durante a imagem lactente devido à presença de forças de tesoura laterais.

Figura 3 mostra a manipulação de um nanoparticle do diâmetro 30nm usando os parâmetros apropriados da operação, as partículas pode mesmo ser levantada uma etapa 10nm na superfície. A altura da etapa e o tamanho de partícula são do mesmo pedido, e assim a experiência é uma primeira etapa para a construção mecânica de estruturas tridimensionais.

Figura 3. Uma partícula do ouro 30nm (a) antes e (b) após a empurrão sobre uma etapa 10nm alta ao longo do sentido indicado pela seta. Os tamanhos da Imagem são ambos os 1μm x 0.5μm.

Ao ir para baixo à escala do nanômetro as forças físicas que são dominantes no macroscale tornam-se insignificantes. AFMs fornece a capacidade para estudar os mecânicos no nanoscale. Olhando a vária ponta sinaliza (por exemplo, a amplitude e os sinais da deflexão) durante a operação da manipulação e analisando as mudanças, é possível estudar o mecanismo da manipulação.

Em uma série de papéis o grupo de LMR estudou os fenômenos da manipulação do AFM envolvidos em empurrar um nanoparticle. Observaram que quando a ponta está oscilando relativamente longe da superfície, a amplitude diminui enquanto a ponta aproxima a partícula mas a partícula não se move. Quando a ponta é suficientemente perto da superfície, a amplitude da vibração vai a zero enquanto a partícula é aproximada. A deflexão do modilhão da C.C. transforma-se diferente de zero, e os movimentos da partícula, enquanto a deflexão está acima de um determinado dependente do ponto inicial no modilhão e nas várias características da instalação. As mudanças na deflexão da amplitude da vibração e da C.C. do modilhão podem ser usadas para monitorar a manipulação no tempo real, e sem imagem lactente mais adicional verifique com um alto nível da confiança que seja bem sucedido. Os estudos mostraram que a manipulação dos nanoparticles ocorre deslizando e não por um mecanismo do rolamento.

Nanoparticles é blocos de apartamentos atractivos para nanostructures porque 1) há muitos métodos conhecidos para sintetizar nanoparticles com uma variedade de características (por exemplo, metálico, semiconducting, ou magnético) e o último modelo está melhorando firmemente; 2) as partículas têm uns tamanhos mais uniformes (isto é, é mais monodisperse) do que estruturas dos tamanhos comparáveis feitos por técnicas de competência tais como a litografia do elétron-feixe; e 3) os testes padrões planares arbitrários dos nanoparticles podem ser construídos pelo nanomanipulation usando os protocolos discutidos acima.

A manipulação do AFM pode ser uma ferramenta para a fabricação de testes padrões dos nanoparticles. Figura 4 mostra um exemplo da manipulação de partículas aleatòria depositadas do ouro em uma carcaça de mica. As partículas do ouro do diâmetro 15nm foram empurradas de uma posição aleatória inicial para formar o logotipo de USC.

Figura 4. Um teste padrão aleatório de bolas do ouro 15nm que seja convertido no teste padrão do logotipo de “USC” por uma seqüência da empurrão comanda.

Os pesquisadores de LMR igualmente estudaram a possibilidade de usar o nanomanipulation para o armazenamento de dados. Figura 5 mostra a construção de um teste padrão que codifique carácteres de ASCII em fileiras horizontais dos nanoparticles em uma superfície. A presença de uma partícula em um nó de uma 2D grade regular é interpretada como um “1,” e sua ausência como um “0.” O teste padrão, lido de cima para baixo codifica “LMR.” As partículas têm diâmetros de 15nm, e os nós da grade são espaçados com um passo 100nm. A densidade real é na ordem de 60 Gb/in²e deve ser possível aumentar esta densidade perto sobre um ordem de grandeza usando partículas menores e um afastamento mais apertado. Isto daria as entidades que aproximam o Tb/in². Esta técnica do armazenamento digital é um candidato para um NanoCD editável. Contudo, há os obstáculos que devem ser superados para que seja práticos.

Figura 5. a) Os carácteres “LMR” ASCII codificados nas fileiras dos nanobits, e b) o traço obteve lendo a segunda fileira com um AFM.

A aproximação da manipulação pode ser estendida à fabricação 3D. O grupo de LMR demonstrou a construção de uma estrutura 3D por manipulação controlada de únicos nanoparticles (veja Figura 6).

A Figura 6. projecção da imagem 3D de uma pirâmide gosta da estrutura. A preparação ocorreu empurrando um nanoparticle 30nm acima entre dois outro.

Contudo, a manipulação de características assimètrica dadas forma é mais complicada. Os nanorods do Ouro, 100nm de comprimento e 10nm no diâmetro, foram usados pelos pesquisadores de LMR para estudar a manipulação de nanoobjects alongados (veja Figura 7).

Figura 7. Uma seqüência das imagens de SFM (tamanho de 500nm x de varredura de 500nm) que indicam a manipulação de quatro nanorods do ouro. As setas em cada imagem mostram ao sentido da manipulação esse resultados na configuração da haste na imagem seguinte: (a) Regime Inicial das hastes; (b) resultado de manipulações translational de “1" ao longo dele linha central longitudinal de s e de “2" linha central dos acrossthis; (c) resultados de funcionamentos rotatórios da manipulação de todas as quatro hastes por 45°, relativo a sua orientação original. A escala da altura de preto ao branco é 10nm.

A manipulação Translational de um nanorod sem rotação ocorre sempre que a ponta bate o nanorod em seu centro. Nestas experiências, encontrou-se que era mais fácil traduzir as hastes quando o sentido de empurrão era ao longo da linha central longitudinal do que quando empurrar era transversal feito a esta linha central. Isto é porque é fácil encontrar o ponto o mais alto através da largura da haste (que é o centro da haste). Conseqüentemente, o resultado da manipulação longitudinal era frequentemente tradução perfeita quando a manipulação transversal causou frequentemente uma combinação de tradução e de rotação. Esta informação na manipulação da haste é importante para montar um nanostructure funcional. Estará complicada um tanto para construir tais estruturas com nanorods, porque depois que as hastes são posicionadas aproximadamente; os movimentos subseqüentes podem ter que especificar a posição e o ângulo dos nanorods.

Como mencionado acima, uma ponta do AFM pode igualmente ser usada para cortar ou dobrar materiais macios, tais como os polímeros, ADN, e os nanotubes. Figura 8 mostra a operação da estaca do plasmídeo do ADN. Pode-se ver que o resultado da estaca é demasiado grosseiro. Uma aproximação melhor seria usar enzimas para cortar a amostra biológica em combinação com uma ponta de prova do AFM para seleccionar o local exacto para a alteração. Figura 9 mostras uma ponta do AFM que esteja sob o controle de NanoMove que dobra um nanotube.

Figura 8. Usando uma ponta do AFM para cortar o plasmídeo.

Figura 9. Usando uma ponta do AFM para dobrar nanotubes.

A Manipulação dos nanoparticles pode igualmente ser usada para construir protótipos de dispositivos eletrônicos e optoelectronic. De facto, muitos dos dispositivos nanoelectronic existentes confiaram na possibilidade colocar um elemento no relacionamento desejado com outro ou ter usado a manipulação do AFM. Por exemplo, colocar um nanoparticle em distâncias da escavação de um túnel entre dois eléctrodos (fonte e dreno) pode ser usada para fazer um transistor do único-elétron (SET). Figura 10 mostra as imagens do AFM que foram tomadas durante a manipulação de duas partículas em uma diferença de uma estrutura do GRUPO.

Figura 10. Pisa na manipulação de duas partículas do ouro em uma única junção de transistor (SET) do elétron.

Uma aproximação similar foi usada para um outro sistema de protótipo. O grupo de LMR e o grupo de Atwater em Caltech colaboraram na fabricação de um medidor de ondas “plasmonic” colocando nanoparticles coloidais do ouro do diâmetro 30nm em distâncias iguais de se em uma corrente, com uma partícula fluorescente do látex 100nm na extremidade da corrente. A Energia em um comprimento de onda na escala visível é injectada na partícula do ouro em uma extremidade da corrente, e propaga através da corrente explorando efeitos do próximo-campo. A propagação é detectada observando a fluorescência da bola do látex. O medidor de ondas pode igualmente ser construído usando a litografia do e-feixe para fabricar nanostructures do ouro, mas a ponta do AFM é ainda necessário manipular o grânulo fluorescente do látex à extremidade da estrutura (veja Figura 11). Conseqüentemente, o uso da manipulação do AFM é crucial para a construção do protótipo. Este nanowaveguide é original porque tem as dimensões transversais muito menores do que o limite de difracção para os comprimentos de onda (centenas de nanômetro) que estão sendo estudados. Pode igualmente servir para alimentar a luz às máquinas moleculars individuais sem excitar outras máquinas na mesma vizinhança.

Figura 11. medidor de ondas de Plasmonic: (a) Diagrama Esquemático de um medidor de ondas plasmonic, (b) micrografia de SEM de nanostructures fabricados litografia do ouro do e-feixe, e (c) imagem do AFM de um grânulo do látex (marcado pela seta amarela) que fosse manipulado à extremidade da matriz dos nanostructures do ouro.

Embora os testes padrões de nanoparticles unlinked podem ser úteis, muitas aplicações exigem nanostructures “contínuos” de formas específicas. Estes podem ser aproximados por grupos de nanoparticles apropriadamente posicionados e ligados. O grupo de LMR investigou diversas aproximações ao ligamento. O primeiro usa a ligação covalent a um linker. Por exemplo, as partículas do ouro podem ser conectadas com os dithiols (moléculas orgânicas com enxofre em ambas as extremidades). Os dithiols auto-montam ao ouro e ao saque como a colagem química. Duas variações desta aproximação foram demonstradas: 1) depositando as partículas, posicionando as, e então a imersão da amostra na solução do dithiol ligá-las; ou 2) depositando as partículas, aplicando os dithiols, e então a manipulação das partículas no contacto ligado. Encontrou-se que é certamente possível empurrar um grupo de nanoparticles ligados por dithiols no conjunto. Estes resultados demonstram o conjunto hierárquico no nanoscale (isto é, a construção dos conjuntos dos componentes, que são eles mesmos subconjuntos de outros componentes ou de blocos de apartamentos primitivos).

A segunda aproximação ao ligamento igualmente usa o auto-conjunto selectivo. O material Adicional está depositado nas partículas até que se tornem conectados. O material e as circunstâncias experimentais devem ser seleccionados para assegurar-se de que o material monte às partículas mas não ao restante da amostra. Por exemplo, um teste padrão de nanoparticles do ouro pode ser usado como um molde para o depósito electroless do ouro adicional (veja Figura 12).

Tabela 12. Imagens de SFM (tamanho da varredura de 1μm x de 1μm) que indicam partículas coloidais do ouro 8nm em SiO₂como depositado aleatòria (saido), após uma manipulação de treze partículas para formar um nanotemplate do fio (centro), e após 5 minutos na solução de semeação (direita).

Os fios do Ouro da geometria arbitrária podem ser construídos primeiramente manipulando as partículas na geometria desejada e então ligando as pela imersão da amostra na solução electroless com um grupo de parâmetros específico, tais como o tempo da imersão, concentração, e assim por diante.

Muito recentemente usos descobertos uma terceira aproximação que aglomeram para conectar nanoparticles fluorescentes do látex. As partículas são manipuladas primeiramente para formar um molde desejado. O molde é então caloroso, derretendo as partículas junto em um único nanostructure (veja Figura 13).

Figura 13. Seqüência das imagens do AFM que mostram a construção de um nanostructure 3D: a) partículas aleatòria depositadas, b) após a manipulação, c) após a aglomeração 160 no ± 2ºC por 10 minutos, d) depois que uma única partícula é ` empurrado' sobre a ilha.

Com certeza aplicações é necessário assegurar-se de que os nanocomponents sejam fixos na carcaça. Isto pode igualmente ser feito pelo auto-conjunto selectivo. Um material que monte à carcaça mas não as partículas são usadas, assim encaixando as partículas em uma camada fina. O grupo de LMR demonstrou a partícula que encaixa em uma camada do óxido de silicone por primeiras partículas de depósito e que manipula as, a seguir depositando um monolayer de um silane (uma molécula orgânica que contem átomos do silicone que anexasse somente à carcaça), e oxidando finalmente a camada do silane. As camadas Sucessivas foram usadas para encaixar as partículas para uma técnica rápida nova propor da prototipificação no nanoscale, chamadas nanofabricação mergulhada ou LNF (veja Figura 14). Os objetos Tridimensionais foram fabricados pela manipulação do nanoparticle, e cada camada planarized adicionando uma camada sacrificial molecular cuja a superfície superior servisse como o apoio para a etapa de processamento seguinte. As camadas sacrificiais foram removidas em um passo final. Assim, os pesquisadores demonstraram que é possível construir camadas sacrificiais e manipular nanoparticles do ouro sobre elas (veja Figura 15).

Figura 14. Ideia Esquemática do procedimento de encaixotamento dos nanoparticles em uma matriz₂de SiO.

Figura 15. As imagens do AFM e a linha correspondente fazem a varredura de indicar a construção bem sucedida de uma dois-partícula, coluna ereta empurrando a partícula” 1" sobre a partícula” 2". O tamanho da varredura é 600nm x 600nm, e a escala da altura é 6nm de preto ao branco.