eng
Выпуск #2/2011
Г.Мешков, А.Рахимова, А.Филонов, Д.Яминский, И.Яминский.
Дистанционное управление нанотехнологическим оборудованием
Дистанционное управление нанотехнологическим оборудованием
Просмотры: 1729
Сочетание уникальных возможностей зондовой микроскопии с современными коммуникационными решениями – способ достижения наибольшей эффективности работы аппаратуры. Доступность прибора через Интернет для управления им и получения данных измерений во многих случаях полезна, а часто просто необходима. С особенной очевидностью это проявляется при длительных измерениях, например, при наблюдении за ростом белковых кристаллов или кинетикой медленных химических реакций на поверхности при изучении процессов окисления и коррозии.
Теги: communication kinetics of chemical reactions oxidation and corrosion probe microscopy protein crystals remote control дистанционный контроль зондовая микроскопия нанотехнология
Официальным временем рождения сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) принято считать март 1981 года "Первую четкую экспоненциальную зависимость силы туннельного тока от расстояния между образцом и острием, характерную для туннелирования, мы получили ночью, едва дыша от возбуждения и из боязни вызвать вибрации. Это случилось в знаменательную ночь 16 марта 1981 года", – так 9 декабря 1986 года спустя пять с половиной лет описывали это знаменательное событие Г.Бинниг и Г.Рорер в лекции при вручении им в Стокгольме Нобелевской премии за изобретение СТМ [1].
Этот прибор стал родоначальником большого семейства сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ). В первую очередь следует упомянуть сканирующий силовой (часто называемый атомно-силовой) микроскоп (АСМ) (1986), ставший основным инструментом современной экспериментальной нанотехнологии. Большой интерес для практических применений представляют также сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (1982), магнитно-силовой микроскоп (1987), сканирующий фрикционный микроскоп (1987) и многие другие приборы. Если, используя туннельный микроскоп, можно измерять в основном проводящие поверхности (рис.1), то для АСМ (рис.2) такие ограничения отсутствуют. Пространственное разрешение, получаемое в таком приборе, зависит от остроты сканирующего зонда – кантилевера. Качественные зонды (рис.3) имеют радиус закругления менее 10 нм. Разрешение можно повысить, используя кантилеверы с выращенными на их вершине алмазными усиками (рис.4). Разработанная недавно технология изготовления таких усиков [2] позволяет увеличить латеральное разрешение до 1 нм. Тогда ширина молекул ДНК, наблюдаемых в АСМ, близка к реальной – около 2 нм (рис.5).
Существенное достоинство СЗМ – получение трехмерных данных. Обычно это рельеф поверхности, когда регистрация объектов наблюдения осуществляется в трех измерениях – по длине, ширине и высоте. Другие параметры (величина механического трения на поверхности, распределение магнитного или электрического поля, карта поверхностной электропроводности или что-то иное) также представляются в трехмерном виде, причем данные зондовой микроскопии хорошо представляются визуально. Для их изображения успешно применяются современные компьютерные графические возможности (рис.6).
Взросление сканирующей зондовой микроскопии происходило одновременно с бурным развитием информационных технологий. Четверть века они успешно продвигаются вперед, взаимно помогая друг другу. Элементная база компьютеров уже перешла на субмикронный уровень. В результате появляются новые технологические задачи и проблемы, а зондовый микроскоп помогает понять процессы в наномире, увидеть наноструктуры, изучить их свойства. С другой стороны, разнообразие структур и объектов наномира требует от такого прибора умения справляться с большими потоками данных и наличия разнообразных встроенных коммуникационных возможностей.
В 1999 году в Центре перспективных технологий был создан СЗМ ФемтоСкан, в котором управление всеми параметрами эксперимента стало возможным через Интернет. Придирчивый читатель может подумать: «А зачем это нужно? Если уж есть микроскоп, то надо работать на нем непосредственно. Да и вообще, как образец ставить через Интернет»? Вопрос не праздный, тем более что разработчики на отечественных и международных конференциях сталкивались с ним не раз. Когда рассказывалось об интернет-микроскопии, большая часть аудитории обычно выражала недоумение. Однако меньшинство (процентов 20), приходило в необычайный восторг от возможности удаленного управления сложным прибором – СЗМ и синхронной передачи информации сразу многим заинтересованным исследователям.
В самом деле, зондовая интернет-микроскопия нужна, например, для образовательных целей. Преподаватель демонстрирует слушателям эксперименты в области зондовой микроскопии, показывает на лекциях, как управлять микроскопом. Полезность этого не вызывает сомнения, и все, как правило, солидарны в такой оценке. Другое применение – интернет-микроскопия открывает новые возможности для технического обслуживания и тестирования. Например, у исследователя что-то не получается, он звонит в сервисный центр, и специалист, не выезжая на место, тестирует микроскоп или просто демонстрирует, как надо на нем работать. Другой случай – проведение длительного эксперимента. Положим, пятый день растет белковый кристалл. Устав от напряжения, исследователь продолжает работу, однако такая ситуация возможна только в том случае, если у него нет замены или отсутствует интернет-управление прибором. Если последнее имеется, исследователь может уйти домой, и уже оттуда будет осуществлять контроль. Если что-то идет не так, ФемтоСкан сообщит ему об этом. А что делать, если в подготовке эксперимента принимало участие, например, 12 человек: три биолога, два химика, четыре физика, два инженера и один материаловед. Все они хотят участвовать в его проведении. Все эти специалисты необходимы для эксперимента, однако если все они соберутся у микроскопа, то, возможно, последнему станет совсем худо. В самом деле, голоса и хождение и, как следствие, легкие сотрясения микроскопа не являются помощью ему, а скорее действуют во вред. В самом деле, для некоторых деликатных экспериментов сотрудники фирмы IBM помещают микроскоп в звукоизолированные, сейсмически чистые, термостатированные комнаты. Несомненно, в подобных случаях Интернет или удаленный доступ необходимы. Однако, даже если работа ведется один на один с микроскопом, почему бы не управлять им через Wi-Fi, лежа, например, на лужайке, поскольку комфорт при эксперименте – вещь немаловажная.
Все вышесказанное можно делать с помощью СЗМ ФемтоСкан Онлайн – первого в мире микроскопа с полным интернет-управлением.
Сердце микроскопа ФемтоСкан – цифровой сигнальный процессор. Такие процессоры применяют для обработки аналоговых сигналов, когда не должно быть задержки во времени, например, в мобильной телефонии. Подобный сигнальный процессор задает все временные циклы – своеобразный сердечный ритм прибора. Он же управляет аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, принимает и передает сигналы. Для таких процессоров обычно создают эффективный программный код на языке нижнего уровня, что обеспечивает их более быструю и надежную работу. Процессор связан с большим компьютером, который может зависнуть, например, из-за ошибки в системе Windows. Вместе с тем процессор продолжит работать, а микроскоп будет сканировать поверхность иглой. В большом компьютере обычно запускается серверная программа, которая общается с сигнальным процессором, а также передает данные конечным пользователям на их клиентское программное обеспечение (ПО). На экран монитора можно выводить экспериментальные данные, менять параметры измерений, управляя микроскопом через Интернет, а рабочий экран может выглядеть так, как показано на рис. 7.
Управлять прибором в этом случае может только один человек, назовем его мастером, хоть и находясь на удалении, он – полный хозяин зондового микроскопа. Имея клиентское ПО, любой человек при наличии компьютера и Интернета может также в реальном масштабе времени получать все экспериментальные данные. Единственно, что он не может делать – управлять микроскопом. Правда, только до тех пор, пока он не обратится к мастеру с просьбой получить возможность делать это. Просьбу пользователя и согласие мастера можно передать с помощью встроенной в клиентскую программу службы сообщений. В результате появиться возможность работать по 24 ч в сутки без проблем. Такие запросы можно получать сначала из России, потом из Америки, а вслед за этим из Австралии. Если читатель еще не поверил в это – пусть приходит в "Центр перспективных технологий", приобретает клиентское ПО и работает на микроскопе ФемтоСкан удаленно, больше не приходя в Центр.
Если у читателя все еще сохранились сомнения в пользе Интернета для зондовой микроскопии, то он – неисправимый пессимист. В самом деле, авторам известен один очень пожилой человек, который настроен против мобильного телефона, который, по мнению этого человека, ведет к потере личной свободы. Однако СЗМ ФемтоСкан Онлайн – это приобретение личной свободы. Исследователь больше не привязан к тому помещению, где стоит микроскоп. Он может перемещаться куда угодно и при этом все время контролировать получаемые результаты: следить за ростом кристалла, наблюдать деление бактериальных клеток или просто изучать процесс, что раньше сотрется – образец или игла СЗМ.
СЗМ ФемтоСкан Онлайн может делать практически все, что и любой другой продвинутый СЗМ: работать на воздухе или в жидких средах; функционировать в условиях контролируемого нагрева образца; быть АСМ или СТМ, а также магнитно-силовым, электростатическим, резистивным микроскопом, при этом одновременно считать фотоны из области контакта, измерять жесткость образца, адгезию и трение, впрочем все эти функции могут реализовываться и через Интернет.
Если существует потребность рассмотреть образцы при сверхнизких температурах, для этого подойдет модификация СЗМ ФемтоСкан – КриоСкан (рис. 8).
На базе СЗМ ФемтоСкан также разрабатываются химические и биологические сенсоры. Так, уже удается взвешивать ничтожные количества вещества на уровне 10-14 г. Делается это с использованием прибора, который называется атомными весами [3]. С применением кантилеверов оптимизированной геометрии его чувствительность достигает 10-18 г, а это уже масса одной белковой молекулы.
Важно отметить, что КриоСкан и атомные весы могут работать через Интернет также надежно, как и СЗМ ФемтоСкан Онлайн.
Литература
Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия – от рождения к юности. Нобелевские лекции по физике – 1986. – УФН, 1988, 154, вып. 2, с.261–278.
http://www.nanoscopy.net/en/klinov.shtm
htth://www.biosensoracademy.com
Этот прибор стал родоначальником большого семейства сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ). В первую очередь следует упомянуть сканирующий силовой (часто называемый атомно-силовой) микроскоп (АСМ) (1986), ставший основным инструментом современной экспериментальной нанотехнологии. Большой интерес для практических применений представляют также сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (1982), магнитно-силовой микроскоп (1987), сканирующий фрикционный микроскоп (1987) и многие другие приборы. Если, используя туннельный микроскоп, можно измерять в основном проводящие поверхности (рис.1), то для АСМ (рис.2) такие ограничения отсутствуют. Пространственное разрешение, получаемое в таком приборе, зависит от остроты сканирующего зонда – кантилевера. Качественные зонды (рис.3) имеют радиус закругления менее 10 нм. Разрешение можно повысить, используя кантилеверы с выращенными на их вершине алмазными усиками (рис.4). Разработанная недавно технология изготовления таких усиков [2] позволяет увеличить латеральное разрешение до 1 нм. Тогда ширина молекул ДНК, наблюдаемых в АСМ, близка к реальной – около 2 нм (рис.5).
Существенное достоинство СЗМ – получение трехмерных данных. Обычно это рельеф поверхности, когда регистрация объектов наблюдения осуществляется в трех измерениях – по длине, ширине и высоте. Другие параметры (величина механического трения на поверхности, распределение магнитного или электрического поля, карта поверхностной электропроводности или что-то иное) также представляются в трехмерном виде, причем данные зондовой микроскопии хорошо представляются визуально. Для их изображения успешно применяются современные компьютерные графические возможности (рис.6).
Взросление сканирующей зондовой микроскопии происходило одновременно с бурным развитием информационных технологий. Четверть века они успешно продвигаются вперед, взаимно помогая друг другу. Элементная база компьютеров уже перешла на субмикронный уровень. В результате появляются новые технологические задачи и проблемы, а зондовый микроскоп помогает понять процессы в наномире, увидеть наноструктуры, изучить их свойства. С другой стороны, разнообразие структур и объектов наномира требует от такого прибора умения справляться с большими потоками данных и наличия разнообразных встроенных коммуникационных возможностей.
В 1999 году в Центре перспективных технологий был создан СЗМ ФемтоСкан, в котором управление всеми параметрами эксперимента стало возможным через Интернет. Придирчивый читатель может подумать: «А зачем это нужно? Если уж есть микроскоп, то надо работать на нем непосредственно. Да и вообще, как образец ставить через Интернет»? Вопрос не праздный, тем более что разработчики на отечественных и международных конференциях сталкивались с ним не раз. Когда рассказывалось об интернет-микроскопии, большая часть аудитории обычно выражала недоумение. Однако меньшинство (процентов 20), приходило в необычайный восторг от возможности удаленного управления сложным прибором – СЗМ и синхронной передачи информации сразу многим заинтересованным исследователям.
В самом деле, зондовая интернет-микроскопия нужна, например, для образовательных целей. Преподаватель демонстрирует слушателям эксперименты в области зондовой микроскопии, показывает на лекциях, как управлять микроскопом. Полезность этого не вызывает сомнения, и все, как правило, солидарны в такой оценке. Другое применение – интернет-микроскопия открывает новые возможности для технического обслуживания и тестирования. Например, у исследователя что-то не получается, он звонит в сервисный центр, и специалист, не выезжая на место, тестирует микроскоп или просто демонстрирует, как надо на нем работать. Другой случай – проведение длительного эксперимента. Положим, пятый день растет белковый кристалл. Устав от напряжения, исследователь продолжает работу, однако такая ситуация возможна только в том случае, если у него нет замены или отсутствует интернет-управление прибором. Если последнее имеется, исследователь может уйти домой, и уже оттуда будет осуществлять контроль. Если что-то идет не так, ФемтоСкан сообщит ему об этом. А что делать, если в подготовке эксперимента принимало участие, например, 12 человек: три биолога, два химика, четыре физика, два инженера и один материаловед. Все они хотят участвовать в его проведении. Все эти специалисты необходимы для эксперимента, однако если все они соберутся у микроскопа, то, возможно, последнему станет совсем худо. В самом деле, голоса и хождение и, как следствие, легкие сотрясения микроскопа не являются помощью ему, а скорее действуют во вред. В самом деле, для некоторых деликатных экспериментов сотрудники фирмы IBM помещают микроскоп в звукоизолированные, сейсмически чистые, термостатированные комнаты. Несомненно, в подобных случаях Интернет или удаленный доступ необходимы. Однако, даже если работа ведется один на один с микроскопом, почему бы не управлять им через Wi-Fi, лежа, например, на лужайке, поскольку комфорт при эксперименте – вещь немаловажная.
Все вышесказанное можно делать с помощью СЗМ ФемтоСкан Онлайн – первого в мире микроскопа с полным интернет-управлением.
Сердце микроскопа ФемтоСкан – цифровой сигнальный процессор. Такие процессоры применяют для обработки аналоговых сигналов, когда не должно быть задержки во времени, например, в мобильной телефонии. Подобный сигнальный процессор задает все временные циклы – своеобразный сердечный ритм прибора. Он же управляет аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, принимает и передает сигналы. Для таких процессоров обычно создают эффективный программный код на языке нижнего уровня, что обеспечивает их более быструю и надежную работу. Процессор связан с большим компьютером, который может зависнуть, например, из-за ошибки в системе Windows. Вместе с тем процессор продолжит работать, а микроскоп будет сканировать поверхность иглой. В большом компьютере обычно запускается серверная программа, которая общается с сигнальным процессором, а также передает данные конечным пользователям на их клиентское программное обеспечение (ПО). На экран монитора можно выводить экспериментальные данные, менять параметры измерений, управляя микроскопом через Интернет, а рабочий экран может выглядеть так, как показано на рис. 7.
Управлять прибором в этом случае может только один человек, назовем его мастером, хоть и находясь на удалении, он – полный хозяин зондового микроскопа. Имея клиентское ПО, любой человек при наличии компьютера и Интернета может также в реальном масштабе времени получать все экспериментальные данные. Единственно, что он не может делать – управлять микроскопом. Правда, только до тех пор, пока он не обратится к мастеру с просьбой получить возможность делать это. Просьбу пользователя и согласие мастера можно передать с помощью встроенной в клиентскую программу службы сообщений. В результате появиться возможность работать по 24 ч в сутки без проблем. Такие запросы можно получать сначала из России, потом из Америки, а вслед за этим из Австралии. Если читатель еще не поверил в это – пусть приходит в "Центр перспективных технологий", приобретает клиентское ПО и работает на микроскопе ФемтоСкан удаленно, больше не приходя в Центр.
Если у читателя все еще сохранились сомнения в пользе Интернета для зондовой микроскопии, то он – неисправимый пессимист. В самом деле, авторам известен один очень пожилой человек, который настроен против мобильного телефона, который, по мнению этого человека, ведет к потере личной свободы. Однако СЗМ ФемтоСкан Онлайн – это приобретение личной свободы. Исследователь больше не привязан к тому помещению, где стоит микроскоп. Он может перемещаться куда угодно и при этом все время контролировать получаемые результаты: следить за ростом кристалла, наблюдать деление бактериальных клеток или просто изучать процесс, что раньше сотрется – образец или игла СЗМ.
СЗМ ФемтоСкан Онлайн может делать практически все, что и любой другой продвинутый СЗМ: работать на воздухе или в жидких средах; функционировать в условиях контролируемого нагрева образца; быть АСМ или СТМ, а также магнитно-силовым, электростатическим, резистивным микроскопом, при этом одновременно считать фотоны из области контакта, измерять жесткость образца, адгезию и трение, впрочем все эти функции могут реализовываться и через Интернет.
Если существует потребность рассмотреть образцы при сверхнизких температурах, для этого подойдет модификация СЗМ ФемтоСкан – КриоСкан (рис. 8).
На базе СЗМ ФемтоСкан также разрабатываются химические и биологические сенсоры. Так, уже удается взвешивать ничтожные количества вещества на уровне 10-14 г. Делается это с использованием прибора, который называется атомными весами [3]. С применением кантилеверов оптимизированной геометрии его чувствительность достигает 10-18 г, а это уже масса одной белковой молекулы.
Важно отметить, что КриоСкан и атомные весы могут работать через Интернет также надежно, как и СЗМ ФемтоСкан Онлайн.
Литература
Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия – от рождения к юности. Нобелевские лекции по физике – 1986. – УФН, 1988, 154, вып. 2, с.261–278.
http://www.nanoscopy.net/en/klinov.shtm
htth://www.biosensoracademy.com
Отзывы читателей
