eng
Выпуск #5/2024
И.В.Яминский
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ "ФЕМТОСКАН ОНЛАЙН": ОТ СРЕДНЕЙ ДО ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ "ФЕМТОСКАН ОНЛАЙН": ОТ СРЕДНЕЙ ДО ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
Просмотры: 1359
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.276.280
Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн", являясь высокопрофессиональным продуктом для научных исследований, оказалось удачным инструментом для образовательной деятельности в средней и высшей школе. В научных исследованиях "ФемтоСкан Онлайн" предоставляет весь спектр необходимых решений для сбора, хранения, анализа, обработки и дальнейшего применения экспериментальных данных оптической, электронной и зондовой микроскопии. Наибольшая ценность программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" состоит в широких возможностях работы с трехмерными изображениями в различных ракурсах, цветовых гаммах с использованием математических фильтров и операций, количественной обработки и наглядного визуального представления. В "ФемтоСкан Онлайн" также предусмотрена возможность работы с двумерными данными – диаграммами, графиками, сканами и пр. Обработка фотографий тоже может находиться в фокусе "ФемтоСкан Онлайн".
Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн", являясь высокопрофессиональным продуктом для научных исследований, оказалось удачным инструментом для образовательной деятельности в средней и высшей школе. В научных исследованиях "ФемтоСкан Онлайн" предоставляет весь спектр необходимых решений для сбора, хранения, анализа, обработки и дальнейшего применения экспериментальных данных оптической, электронной и зондовой микроскопии. Наибольшая ценность программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" состоит в широких возможностях работы с трехмерными изображениями в различных ракурсах, цветовых гаммах с использованием математических фильтров и операций, количественной обработки и наглядного визуального представления. В "ФемтоСкан Онлайн" также предусмотрена возможность работы с двумерными данными – диаграммами, графиками, сканами и пр. Обработка фотографий тоже может находиться в фокусе "ФемтоСкан Онлайн".
Теги: atomic force microscopy bionanoscopy data processing scanning probe microscopy substrate alignment атомно-силовая микроскопия бионаноскопия выравнивание подложки обработка данных сканирующая зондовая микроскопия
Получено: 19.07.2024 г. | Принято: 24.07.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.276.280
Научная статья
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ "ФЕМТОСКАН ОНЛАЙН":
ОТ СРЕДНЕЙ ДО ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн", являясь высокопрофессиональным продуктом для научных исследований, оказалось удачным инструментом для образовательной деятельности в средней и высшей школе. В научных исследованиях "ФемтоСкан Онлайн" предоставляет весь спектр необходимых решений для сбора, хранения, анализа, обработки и дальнейшего применения экспериментальных данных оптической, электронной и зондовой микроскопии. Наибольшая ценность программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" состоит в широких возможностях работы с трехмерными изображениями в различных ракурсах, цветовых гаммах с использованием математических фильтров и операций, количественной обработки и наглядного визуального представления. В "ФемтоСкан Онлайн" также предусмотрена возможность работы с двумерными данными – диаграммами, графиками, сканами и пр. Обработка фотографий тоже может находиться в фокусе "ФемтоСкан Онлайн".
Ключевые слова: обработка данных, выравнивание подложки, атомно-силовая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, бионаноскопия
Для цитирования: И.В. Яминский. Программное обеспечение "ФемтоСкан онлайн": от средней до высшей школы. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 5. С. 276–280. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.276.280.
Received: 19.07.2024 | Accepted: 24.07.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.276.280
Original paper
FEMTOSCAN ONLINE SOFTWARE:
FROM SECONDARY TO HIGH SCHOOL
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. FemtoScan Online software, being a highly professional product for scientific research, has turned out to be a successful tool for educational activities in secondary and higher schools. In scientific research, FemtoScan Online provides the full range of necessary solutions for the collection, storage, analysis, processing and further application of experimental data from optical, electron and probe microscopy. The greatest value of the FemtoScan Online software lies in its wide capabilities for working with three-dimensional images from different perspectives, color scales using mathematical filters and operations, quantitative processing and clear visual representation. FemtoScan Online also provides the ability to work with two-dimensional data – diagrams, graphs, scans, etc. Photo processing can also be the focus of FemtoScan Online.
Keywords: data processing, substrate alignment, atomic force microscopy, scanning probe microscopy, bionanoscopy
For citation: I.V. Yaminsky. FemtoScan online software: from secondary to high school. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 5. PP. 276–280. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.276.280.
ВВЕДЕНИЕ
А зачем "ФемтоСкан Онлайн" в школе? При начальном использовании "ФемтоСкан Онлайн" школьник сразу же может познакомиться с объектами наномира: атомами, молекулами, наночастицами и наноматериалами. И сразу в трехмерном виде. Особый интерес представляет наблюдение объектов живой природы – ДНК и РНК, белков, липидов, вирусов, бактерий, клеток различных организмов. Каков размер атома или человеческого волоса? Как выглядит вирус табачной мозаики или обыкновенной простуды человека? На эти и другие вопросы ответ дает "ФемтоСкан Онлайн". Инструменты – линейка или сечение – интуитивно понятны и в высшей степени информативны. Можно выделить одиночный объект и определить совокупность его геометрических параметров – периметр, площадь основания, объем, перепад высот, шероховатость. К этим же параметрам относится и фактор формы: насколько, например, форма объекта отличается от шара и насколько близка к вытянутой. Широкое поле для самостоятельной и вдумчивой работы школьника [1].
"ФЕМТОСКАН" В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
Работа с трехмерными изображениями позволяет понять много важных вопросов. Так уж получается, что в школьных задачах по физике ответ имеет точное значение. К примеру, действующая сила в 1 Н, или скорость в момент приземления тела – 10 м/с. В реальных условиях все не так. Значения всегда получаются приблизительными с той или иной точностью. На первых курсах обучения в высшей школе многим это не нравится. Хочется точного ответа, а не ответа с погрешностью. Но с этим приходится мириться и только стараться каждый раз получать значение измеряемой величины все точнее и точнее.
Как и в других физических экспериментах, в зондовой микроскопии есть шумы, помехи и огрехи, которые будут проявляться на трехмерных изображениях. Для их устранения там, где это возможно, используют различные виды фильтрации. В зондовой микроскопии надо регистрировать субмикронные перепады рельефа поверхности образца. Однако из-за температурного дрейфа поверхность образца может плавно приближаться к зонду или от него удаляться. На изображении появляется наклон, которого на поверхности образца нет. Для устранения такого эффекта из полученного изображения вычитают плоскость наклона. Для удаления одиночных выбросов используют медианную фильтрацию. Как работают различные математические фильтры можно наглядно смотреть при их использовании на реальных или модельных образцах. В итоге получается хорошая лабораторная работа по математике и информатике.
Клондайк для урока по биологии – это изображения вирусов, бактерий и клеток, а также РНК, ДНК, белков, липидов. Можно рассмотреть все мельчайшие детали с большой пользой для понимания и обучения.
На уроках химии удачным и красивым примером является локальное анодное окисление поверхности. В качестве образца может выступать поверхность графита, кремния, титана, алюминия и других материалов. В эксперименте в определенных местах поверхности к зонду прикладывается отрицательный потенциал. В результате на поверхности образца происходит окисление под действием электронов и отрицательных ионов. Полученный таким образом оксидный слой будет давать дополнительный рельеф на поверхности. Получается литография с нанесением фигурок, портретов и других рисунков.
Простор возможностей дает зондовая микроскопия на уроках физики. Например, есть хороший вопрос: как отличить реальный наклон поверхности образца от наклона, обусловленного температурным дрейфом? Вопрос не очень сложный, и сообразительный школьник дает правильный ответ, хотя может быть и не сразу. Пара подсказок бывает полезна.
Другие физические задачи. Прижимая зонд к поверхности с различной силой, можно оценить механические свойства поверхности. Также можно определить вариации силы трения между зондом и исследуемой поверхностью.
Настройка цепи обратной связи – широкое поле для общего понимания, что такое обратная связь не только в зондовой микроскопии. Благодаря зондовой микроскопии можно легче понять, как ее настраивать и зачем используются пропорциональное, интегральное и дифференциальное звенья. Начать тренировку полезно с весового макета. Весовым макетом мы называем резистор (электрическое сопротивление), которое подключаем между выходом и входом цепи обратной связи. С точки зрения функционирования электроники сканирующего зондового микроскопа всю механическую систему, включая зонд, образец, систему перемещения и регистрации можно заменить одним резистором. Если в цепи появился дополнительный сигнал, то обратная связь должна его скомпенсировать. Так и в обыденной жизни. Если кто-то начинает говорить излишне громко, мы просим его немного умерить свой пыл. Мы выступаем в качестве обратной связи и подаем выходной сигнал – просим говорить тише. Что получится, в конце концов, точно неизвестно. Но часто обратная связь срабатывает, и говорящий сбавляет громкость речи. Но если мы попросим невежливо и слишком громко, то, скорее, получим обратный эффект. Не дай бог услышим крик и брань. Так и в зондовой микроскопии, если ответ обратной связи будет слишком резким, то микроскоп хоть и не заругается, но может перейти в автоколебательный режим и повредить и зонд, и образец.
Для эффективного использования программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" на школьных уроках или в проектной деятельности школьников недостаточно одного программного обеспечения. Необходим богатый, обширный и понятный дополнительный образовательный материал: пособия, видеоролики, базы данных изображений, поддержка через социальные сети, организация конкурсов, олимпиад, хакатонов, встречи, конференции и т.д.
В 2011 году мы выпустили описание Практикума для старшеклассников по сканирующей зондовой микроскопии "Пять нобелевских уроков" [2]. За прошедшее время зондовая микроскопия сильно продвинулась вперед и назрело время нового сборника для школьников. Теперь существует уже не 5, а как минимум 25 уроков, и необязательно нобелевских. Работаем.
В 2021 году были подготовлены четыре образовательных видеоролика для широкой аудитории, в том числе школьников [3]:
Доступность материала стала нашей основной заботой, с которой мы постарались справиться.
Бесспорно, этого мало. И в целом в мире мало информации для школьников об этом уникальном методе изучения наномира и его объектов.
Для практических занятий сканирующей зондовой микроскопии нами при поддержке правительства Москвы был запущен на физическом факультете МГУ Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" – www.startinnovation.com. Центр оборудован шестью многофункциональными сканирующими зондовыми микроскопами "ФемтоСкан".
ВЫВОДЫ
Сейчас мы сделали программное обеспечение доступным для средней школы. По заявке школа получает на бесплатной основе необходимое количество бессрочных лицензий и имеющийся у нас сопроводительный материал. В кооперации со школами будем проводить конкурс на лучшее изображение.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Sovetnikov T.O. FemtoScan Online: 3D visualization and processing of bionanoscopy data // NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 7–8. PP. 450–455. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.450.455
Bolshakova A.V., Dubrovin E.V., Protopopova A.S., Sinitsyna O.V., Smironov S.Yu., Yaminsky I.V. Workshop for high school students on scanning probe microscopy. Five Nobel lessons. Moscow. Center for Advanced Technologies. 2013.
Электронный источник: https://rutube.ru/channel/27613222/
Научная статья
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ "ФЕМТОСКАН ОНЛАЙН":
ОТ СРЕДНЕЙ ДО ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн", являясь высокопрофессиональным продуктом для научных исследований, оказалось удачным инструментом для образовательной деятельности в средней и высшей школе. В научных исследованиях "ФемтоСкан Онлайн" предоставляет весь спектр необходимых решений для сбора, хранения, анализа, обработки и дальнейшего применения экспериментальных данных оптической, электронной и зондовой микроскопии. Наибольшая ценность программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" состоит в широких возможностях работы с трехмерными изображениями в различных ракурсах, цветовых гаммах с использованием математических фильтров и операций, количественной обработки и наглядного визуального представления. В "ФемтоСкан Онлайн" также предусмотрена возможность работы с двумерными данными – диаграммами, графиками, сканами и пр. Обработка фотографий тоже может находиться в фокусе "ФемтоСкан Онлайн".
Ключевые слова: обработка данных, выравнивание подложки, атомно-силовая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, бионаноскопия
Для цитирования: И.В. Яминский. Программное обеспечение "ФемтоСкан онлайн": от средней до высшей школы. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 5. С. 276–280. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.276.280.
Received: 19.07.2024 | Accepted: 24.07.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.276.280
Original paper
FEMTOSCAN ONLINE SOFTWARE:
FROM SECONDARY TO HIGH SCHOOL
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. FemtoScan Online software, being a highly professional product for scientific research, has turned out to be a successful tool for educational activities in secondary and higher schools. In scientific research, FemtoScan Online provides the full range of necessary solutions for the collection, storage, analysis, processing and further application of experimental data from optical, electron and probe microscopy. The greatest value of the FemtoScan Online software lies in its wide capabilities for working with three-dimensional images from different perspectives, color scales using mathematical filters and operations, quantitative processing and clear visual representation. FemtoScan Online also provides the ability to work with two-dimensional data – diagrams, graphs, scans, etc. Photo processing can also be the focus of FemtoScan Online.
Keywords: data processing, substrate alignment, atomic force microscopy, scanning probe microscopy, bionanoscopy
For citation: I.V. Yaminsky. FemtoScan online software: from secondary to high school. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 5. PP. 276–280. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.276.280.
ВВЕДЕНИЕ
А зачем "ФемтоСкан Онлайн" в школе? При начальном использовании "ФемтоСкан Онлайн" школьник сразу же может познакомиться с объектами наномира: атомами, молекулами, наночастицами и наноматериалами. И сразу в трехмерном виде. Особый интерес представляет наблюдение объектов живой природы – ДНК и РНК, белков, липидов, вирусов, бактерий, клеток различных организмов. Каков размер атома или человеческого волоса? Как выглядит вирус табачной мозаики или обыкновенной простуды человека? На эти и другие вопросы ответ дает "ФемтоСкан Онлайн". Инструменты – линейка или сечение – интуитивно понятны и в высшей степени информативны. Можно выделить одиночный объект и определить совокупность его геометрических параметров – периметр, площадь основания, объем, перепад высот, шероховатость. К этим же параметрам относится и фактор формы: насколько, например, форма объекта отличается от шара и насколько близка к вытянутой. Широкое поле для самостоятельной и вдумчивой работы школьника [1].
"ФЕМТОСКАН" В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
Работа с трехмерными изображениями позволяет понять много важных вопросов. Так уж получается, что в школьных задачах по физике ответ имеет точное значение. К примеру, действующая сила в 1 Н, или скорость в момент приземления тела – 10 м/с. В реальных условиях все не так. Значения всегда получаются приблизительными с той или иной точностью. На первых курсах обучения в высшей школе многим это не нравится. Хочется точного ответа, а не ответа с погрешностью. Но с этим приходится мириться и только стараться каждый раз получать значение измеряемой величины все точнее и точнее.
Как и в других физических экспериментах, в зондовой микроскопии есть шумы, помехи и огрехи, которые будут проявляться на трехмерных изображениях. Для их устранения там, где это возможно, используют различные виды фильтрации. В зондовой микроскопии надо регистрировать субмикронные перепады рельефа поверхности образца. Однако из-за температурного дрейфа поверхность образца может плавно приближаться к зонду или от него удаляться. На изображении появляется наклон, которого на поверхности образца нет. Для устранения такого эффекта из полученного изображения вычитают плоскость наклона. Для удаления одиночных выбросов используют медианную фильтрацию. Как работают различные математические фильтры можно наглядно смотреть при их использовании на реальных или модельных образцах. В итоге получается хорошая лабораторная работа по математике и информатике.
Клондайк для урока по биологии – это изображения вирусов, бактерий и клеток, а также РНК, ДНК, белков, липидов. Можно рассмотреть все мельчайшие детали с большой пользой для понимания и обучения.
На уроках химии удачным и красивым примером является локальное анодное окисление поверхности. В качестве образца может выступать поверхность графита, кремния, титана, алюминия и других материалов. В эксперименте в определенных местах поверхности к зонду прикладывается отрицательный потенциал. В результате на поверхности образца происходит окисление под действием электронов и отрицательных ионов. Полученный таким образом оксидный слой будет давать дополнительный рельеф на поверхности. Получается литография с нанесением фигурок, портретов и других рисунков.
Простор возможностей дает зондовая микроскопия на уроках физики. Например, есть хороший вопрос: как отличить реальный наклон поверхности образца от наклона, обусловленного температурным дрейфом? Вопрос не очень сложный, и сообразительный школьник дает правильный ответ, хотя может быть и не сразу. Пара подсказок бывает полезна.
Другие физические задачи. Прижимая зонд к поверхности с различной силой, можно оценить механические свойства поверхности. Также можно определить вариации силы трения между зондом и исследуемой поверхностью.
Настройка цепи обратной связи – широкое поле для общего понимания, что такое обратная связь не только в зондовой микроскопии. Благодаря зондовой микроскопии можно легче понять, как ее настраивать и зачем используются пропорциональное, интегральное и дифференциальное звенья. Начать тренировку полезно с весового макета. Весовым макетом мы называем резистор (электрическое сопротивление), которое подключаем между выходом и входом цепи обратной связи. С точки зрения функционирования электроники сканирующего зондового микроскопа всю механическую систему, включая зонд, образец, систему перемещения и регистрации можно заменить одним резистором. Если в цепи появился дополнительный сигнал, то обратная связь должна его скомпенсировать. Так и в обыденной жизни. Если кто-то начинает говорить излишне громко, мы просим его немного умерить свой пыл. Мы выступаем в качестве обратной связи и подаем выходной сигнал – просим говорить тише. Что получится, в конце концов, точно неизвестно. Но часто обратная связь срабатывает, и говорящий сбавляет громкость речи. Но если мы попросим невежливо и слишком громко, то, скорее, получим обратный эффект. Не дай бог услышим крик и брань. Так и в зондовой микроскопии, если ответ обратной связи будет слишком резким, то микроскоп хоть и не заругается, но может перейти в автоколебательный режим и повредить и зонд, и образец.
Для эффективного использования программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" на школьных уроках или в проектной деятельности школьников недостаточно одного программного обеспечения. Необходим богатый, обширный и понятный дополнительный образовательный материал: пособия, видеоролики, базы данных изображений, поддержка через социальные сети, организация конкурсов, олимпиад, хакатонов, встречи, конференции и т.д.
В 2011 году мы выпустили описание Практикума для старшеклассников по сканирующей зондовой микроскопии "Пять нобелевских уроков" [2]. За прошедшее время зондовая микроскопия сильно продвинулась вперед и назрело время нового сборника для школьников. Теперь существует уже не 5, а как минимум 25 уроков, и необязательно нобелевских. Работаем.
В 2021 году были подготовлены четыре образовательных видеоролика для широкой аудитории, в том числе школьников [3]:
- Взгляд в наномир. В контакте;
- Как взвесить один атом? Вирусы под микроскопом;
- Сканирующая капиллярная микроскопия.
Доступность материала стала нашей основной заботой, с которой мы постарались справиться.
Бесспорно, этого мало. И в целом в мире мало информации для школьников об этом уникальном методе изучения наномира и его объектов.
Для практических занятий сканирующей зондовой микроскопии нами при поддержке правительства Москвы был запущен на физическом факультете МГУ Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" – www.startinnovation.com. Центр оборудован шестью многофункциональными сканирующими зондовыми микроскопами "ФемтоСкан".
ВЫВОДЫ
Сейчас мы сделали программное обеспечение доступным для средней школы. По заявке школа получает на бесплатной основе необходимое количество бессрочных лицензий и имеющийся у нас сопроводительный материал. В кооперации со школами будем проводить конкурс на лучшее изображение.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Sovetnikov T.O. FemtoScan Online: 3D visualization and processing of bionanoscopy data // NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 7–8. PP. 450–455. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.450.455
Bolshakova A.V., Dubrovin E.V., Protopopova A.S., Sinitsyna O.V., Smironov S.Yu., Yaminsky I.V. Workshop for high school students on scanning probe microscopy. Five Nobel lessons. Moscow. Center for Advanced Technologies. 2013.
Электронный источник: https://rutube.ru/channel/27613222/
Отзывы читателей
