eng
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.136.141
Как нам увидеть то, что недоступно человеческому глазу и даже не видно в самый лучший оптический микроскоп? Как увидеть атомы и молекулы? Как детально рассмотреть объекты живой природы масштаба нано в обычных условиях – на воздухе или в жидкости? На помощь к нам приходит атомно-силовой микроскоп. Мы поговорим о том, как он устроен, из чего состоит, как работает, как он получает изображения наномира.
Как нам увидеть то, что недоступно человеческому глазу и даже не видно в самый лучший оптический микроскоп? Как увидеть атомы и молекулы? Как детально рассмотреть объекты живой природы масштаба нано в обычных условиях – на воздухе или в жидкости? На помощь к нам приходит атомно-силовой микроскоп. Мы поговорим о том, как он устроен, из чего состоит, как работает, как он получает изображения наномира.
Теги: atomic-force microscope biological objects nanoscale nanoworld optical microscope атомно-силовой микроскоп биологические объекты наномасштаб наномир оптический микроскоп
ВЗГЛЯД В НАНОМИР: В КОНТАКТЕ
LOOK INTO THE NANOWORLD: IN CONTACT
И.В.Яминский, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. научн. сотр. ИНЭОС РАН, директор Центра перспективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Leading Sci. of INEOS RAS
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.136.141
Получено: 27.03.2021 г.
Как нам увидеть то, что недоступно человеческому глазу и даже не видно в самый лучший оптический микроскоп? Как увидеть атомы и молекулы? Как детально рассмотреть объекты живой природы масштаба нано в обычных условиях – на воздухе или в жидкости? На помощь к нам приходит атомно-силовой микроскоп. Мы поговорим о том, как он устроен, из чего состоит, как работает, как он получает изображения наномира.
How can we see something hidden to the human eye and is not even visible in the best optical microscope? How can we observe atoms and molecules? How to view the objects of wild nature of nanoscale in details under normal conditions, in air or in liquid? An atomic force microscope comes to help ing us. We will talk about how it is arranged, which it consists of how it works and how it gets images of the nanoworld.
Атомно-силовой микроскоп был изобретен в 1986 году Гердом Биннигом, Келвином Куэйтом и Кристофом Гербером [1]. Сейчас он стал самым главным и самым популярным инструментом в семействе сканирующих зондовых микроскопов. Всего лишь за 5 лет до этого события был изобретен первый из зондовых микроскопов – сканирующий туннельный микроскоп. В том же 1986 году Герду Биннигу, соавтору атомно-силового микроскопа, совместно с Хайнрихом Рорером была вручена Нобелевская премия по физике за изобретение туннельного микроскопа [2].
Атомно-силовой микроскоп появился как модификация туннельного микроскопа для того, чтобы измерить силы в туннельном контакте. А произойти это могло более 150 лет назад после изобретения Томасом Алвой Эдисоном фонографа, в котором движение иглы по рельефу поверхности преобразовывалось в звук. В атомно-силовом микроскопе зонд движется как в граммофонном проигрывателе, отслеживая все неровности, в результате чего получается траектория, повторяющая все изгибы образца. В результате движения иглы граммофона мы слышим мелодию, движение иглы атомно-силового микроскопа рождает изображение. Получая эти траектории одну за другой в атомно-силовом микроскопе, мы постепенно получаем карту неровностей всей сканируемой площади образца. Мы можем увидеть атомы на поверхности, молекулу ДНК, белки, вирусы, бактерии и даже отдельные клетки.
В атомно-силовом микроскопе в точке контакта "зонд – образец" возникают силы. Чтобы лучше понять действующие на зонд силы, представим, что зонд размещен на упругой пружинке и сканирует поверхность.
На малых расстояниях, около 10 нм, между всеми телами возникает заметная сила притяжения. Это сила Ван-дер-Ваальса. Она имеет электромагнитную природу: чем ближе к поверхности, тем больше значение данной силы. Для двух атомов или молекул энергия притяжения обратно пропорциональна 6-ой степени от расстояния между их центрами R, для силы получаем F~1/R7.
Если просуммировать все парные силы между молекулами зонда и образца, то мы определим силу Ван-дер-Ваальса и для этого случая. Когда зонд приходит в соприкосновение с поверхностью образца, сила Ван-дер-Ваальса принимает максимальное значение. При образовании контакта появляется дополнительная сила – сила адгезии. Эта сила может быть вызвана различными причинами. Например, при конденсации паров в области контакта возникают капиллярные силы. Сила адгезии может быть также обусловлена электризацией поверхности зонда и образца. Эту силу можно пронаблюдать: если воздушный шарик потереть о волосы, он наэлектризуется и начнет прилипать к поверхностям. Для устойчивости работы атомно-силового микроскопа зонд дополнительно прижимают к образцу. В этом случае возникает еще одна действующая на зонд сила – сила упругости.
Итак, появились три силы, и все они воздействуют на зонд вниз. Но зонд не проваливается сквозь поверхность, значит, есть еще одна сила, которая уравновешивает все три предыдущие. Эта контактная сила, или реакция опоры. Какова природа этой силы? Это самый непростой и загадочный вопрос атомно-силовой микроскопии.
Помните, что зонд должен быть закреплен на упругой пружинке. Как правило, такую пружинку делают в виде упругой консоли – балки, закрепленной с одной стороны. На ее свободном конце располагается зонд. Такая конструкция называется кантилевером (рис.2).
Кантилеверы есть не только в атомно-силовой микроскопии. В самолетостроении – это крыло самолета: так Юнкрес от биплана перешел к моноплану (рис.3a). Разводные мосты в Санкт-Петербурге – это кантилеверные мосты (рис.3b).
Фигура, которую выполняет чемпионка мира по фигурному катанию А.Трусова – это тоже кантилевер (рис.3c).
Во время сканирования зонд скользит по поверхности образца (рис.4a). Как нам определить траекторию зонда? Для этого свет от лазера фокусируют на кончик кантилевера, а положение отраженного луча определяют с помощью фотодетектора. Когда кантилевер перемещается на величину dz, пятно на фотодиоде смещается на существенно большее расстояние. В 2L/l раз больше. L – путь отраженного света, l – длина кантилевера. Обычно в 1000 раз больше. Это для кантилевера в 100 мкм и расстояния от кантилевера до фотодиода в 5 см. Оптическая система должна регистрировать всего лишь микроны, если перепады рельефа составляют нанометры.
У фотодиода четыре сегмента – A, B, C, D (рис.4b). Если замерить суммарный сигнал на всех диодах сразу, то мы получим интенсивность падающего на фотодиод света. При сканировании интенсивность практически постоянна, а при настройке оптической системы мы добиваемся, чтобы интенсивность света на фотодиоде была максимальна.
Если кантилевер перемещается вверх-вниз, то пятно на фотодиоде также перемещается вверх-вниз. А значит сигнал (А + В) – (С + D) указывает на высоту рельефа.
Также мы можем с помощью атомно-силового микроскопа измерить и силу трения, то есть фрикционные свойства поверхности. Сила трения направлена вдоль поверхности образца – горизонтально. Эта сила приводит к кручению кантилевера вокруг оси и смещению пятна на фотодиоде по горизонтали.
То есть сигнал (A + C) – (B + D) – есть ни что иное, как сила трения или коэффициент трения поверхности образца. Для правильного измерения силы трения необходимо, чтобы направление сканирования было перпендикулярно длинной оси кантилевера. Об этом надо помнить!
Итак,
Два последних сигнала играют важную роль при сканировании. Мы будем называть их "отклонение" и "трение".
Часто в атомно-силовом микроскопе при сканировании мы перемещаем образец, а не зонд. Так бывает удобнее, поскольку с зондом связана лазерная система.
Поэтому образец размешают на пьезокерамический манипулятор, который должен перемещать образец с точностью как минимум до 0,001 нм. Это в 100 раз меньше, чем самый маленький атом – водород. А раз так, то мы можем просканировать рельеф одного атома.
В атомно-силовом микроскопе применяют обратную связь. Если рельеф стал выше, то образец перемещают пониже. В результате кантилевер по вертикали не перемещается и сила, с которой он давит на поверхность, остается постоянной. Таким образом, мы можем обеспечить деликатное сканирование с постоянной силой. Получается режим постоянной силы.
Как работает обратная связь? Если на склоне выступа зонд стал подниматься, то сигнал "отклонения" сразу скажет, что образец надо опустить. Для этого нужна прецизионная электроника. Сигнал с фотодиода (А + В) – (С + D) поступает на чувствительный усилитель, он сравнивается с заранее выбранным значением (опорным значением), получается сигнал ошибки, он усиливается и подается на пьезоманипулятор в правильной полярности. Так, чтобы обратная связь была отрицательной. Такой регулятор называется пропорциональным.
Сигнал ошибки мы можем постоянно суммировать: ошибка то положительная, то отрицательная, и текущая сумма имеет определенное значение. Но если у нас есть маленькая ошибка, которую не может отследить пропорциональный регулятор, то теперь усиленный сигнал просуммированной ошибки вернет зонд в точно определенную позицию. И это будет интегральный регулятор, ведь интеграл – это непрерывное суммирование.
А если появляется острый выступ и два первых приема не помогают, то нужно измерять изменение сигнала ошибки – его математическую производную, и мы получим дифференциальный регулятор.
Таким образом, мы можем построить один регулятор с тремя звеньями и получим пропорциональный интегральный дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор).
ПИД-регуляторы используются повсеместно: например, при полете крылатой ракеты по пересеченной местности. Датчик регистрирует высоту полета, а обратная связь и система регулировки держат выбранный курс ракеты.
А теперь вспомним наш вопрос: что это за контактная сила, которая удерживает образец на поверхности? Эта сила играет ключевую роль в атомно-силовой микроскопии. В первую очередь, нам бы хотелось контролировать и уменьшать именно ее, ведь она приложена в точке контакта или к тому атому, который располагается в вершине зонда. Если контактная сила велика, зонд и образец деформируются и мы начинаем видеть поверхность уже не так четко.
Это сила обменного взаимодействия, которая появляется из запрета или принципа Паули. В одной точке пространства не может быть больше двух электронов, и эти два электрона должны иметь разный спин – момент количества движения.
Вы думаете, что этот принцип относится только к атомно-силовой микроскопии? Мы, наш стол, стул и сам микроскоп уже давно провалились бы сквозь пол, если бы этот принцип не работал во ВСЕХ случаях. Именно во всех.
Рассказ "ВЗГЛЯД в НАНОМИР: В контакте" можно смотреть и слушать в Интернете https://youtu.be/RHiGj5EYlsg. Там мы добавили анимацию и живую речь. Приятного и полезного просмотра.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РНФ, проект № 20-12-00389, РФФИ, проект № 20-32-90036.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. The Atomic Force Microscope, Physical Review Letters. 56 (9) (1986) 930–933. https://doi.org.10.1103/PhysRevLett.56.930
Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy, IBM Journal of Research and Development. 30 (4) (1986) 355–69.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
LOOK INTO THE NANOWORLD: IN CONTACT
И.В.Яминский, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. научн. сотр. ИНЭОС РАН, директор Центра перспективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Leading Sci. of INEOS RAS
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.136.141
Получено: 27.03.2021 г.
Как нам увидеть то, что недоступно человеческому глазу и даже не видно в самый лучший оптический микроскоп? Как увидеть атомы и молекулы? Как детально рассмотреть объекты живой природы масштаба нано в обычных условиях – на воздухе или в жидкости? На помощь к нам приходит атомно-силовой микроскоп. Мы поговорим о том, как он устроен, из чего состоит, как работает, как он получает изображения наномира.
How can we see something hidden to the human eye and is not even visible in the best optical microscope? How can we observe atoms and molecules? How to view the objects of wild nature of nanoscale in details under normal conditions, in air or in liquid? An atomic force microscope comes to help ing us. We will talk about how it is arranged, which it consists of how it works and how it gets images of the nanoworld.
Атомно-силовой микроскоп был изобретен в 1986 году Гердом Биннигом, Келвином Куэйтом и Кристофом Гербером [1]. Сейчас он стал самым главным и самым популярным инструментом в семействе сканирующих зондовых микроскопов. Всего лишь за 5 лет до этого события был изобретен первый из зондовых микроскопов – сканирующий туннельный микроскоп. В том же 1986 году Герду Биннигу, соавтору атомно-силового микроскопа, совместно с Хайнрихом Рорером была вручена Нобелевская премия по физике за изобретение туннельного микроскопа [2].
Атомно-силовой микроскоп появился как модификация туннельного микроскопа для того, чтобы измерить силы в туннельном контакте. А произойти это могло более 150 лет назад после изобретения Томасом Алвой Эдисоном фонографа, в котором движение иглы по рельефу поверхности преобразовывалось в звук. В атомно-силовом микроскопе зонд движется как в граммофонном проигрывателе, отслеживая все неровности, в результате чего получается траектория, повторяющая все изгибы образца. В результате движения иглы граммофона мы слышим мелодию, движение иглы атомно-силового микроскопа рождает изображение. Получая эти траектории одну за другой в атомно-силовом микроскопе, мы постепенно получаем карту неровностей всей сканируемой площади образца. Мы можем увидеть атомы на поверхности, молекулу ДНК, белки, вирусы, бактерии и даже отдельные клетки.
В атомно-силовом микроскопе в точке контакта "зонд – образец" возникают силы. Чтобы лучше понять действующие на зонд силы, представим, что зонд размещен на упругой пружинке и сканирует поверхность.
На малых расстояниях, около 10 нм, между всеми телами возникает заметная сила притяжения. Это сила Ван-дер-Ваальса. Она имеет электромагнитную природу: чем ближе к поверхности, тем больше значение данной силы. Для двух атомов или молекул энергия притяжения обратно пропорциональна 6-ой степени от расстояния между их центрами R, для силы получаем F~1/R7.
Если просуммировать все парные силы между молекулами зонда и образца, то мы определим силу Ван-дер-Ваальса и для этого случая. Когда зонд приходит в соприкосновение с поверхностью образца, сила Ван-дер-Ваальса принимает максимальное значение. При образовании контакта появляется дополнительная сила – сила адгезии. Эта сила может быть вызвана различными причинами. Например, при конденсации паров в области контакта возникают капиллярные силы. Сила адгезии может быть также обусловлена электризацией поверхности зонда и образца. Эту силу можно пронаблюдать: если воздушный шарик потереть о волосы, он наэлектризуется и начнет прилипать к поверхностям. Для устойчивости работы атомно-силового микроскопа зонд дополнительно прижимают к образцу. В этом случае возникает еще одна действующая на зонд сила – сила упругости.
Итак, появились три силы, и все они воздействуют на зонд вниз. Но зонд не проваливается сквозь поверхность, значит, есть еще одна сила, которая уравновешивает все три предыдущие. Эта контактная сила, или реакция опоры. Какова природа этой силы? Это самый непростой и загадочный вопрос атомно-силовой микроскопии.
Помните, что зонд должен быть закреплен на упругой пружинке. Как правило, такую пружинку делают в виде упругой консоли – балки, закрепленной с одной стороны. На ее свободном конце располагается зонд. Такая конструкция называется кантилевером (рис.2).
Кантилеверы есть не только в атомно-силовой микроскопии. В самолетостроении – это крыло самолета: так Юнкрес от биплана перешел к моноплану (рис.3a). Разводные мосты в Санкт-Петербурге – это кантилеверные мосты (рис.3b).
Фигура, которую выполняет чемпионка мира по фигурному катанию А.Трусова – это тоже кантилевер (рис.3c).
Во время сканирования зонд скользит по поверхности образца (рис.4a). Как нам определить траекторию зонда? Для этого свет от лазера фокусируют на кончик кантилевера, а положение отраженного луча определяют с помощью фотодетектора. Когда кантилевер перемещается на величину dz, пятно на фотодиоде смещается на существенно большее расстояние. В 2L/l раз больше. L – путь отраженного света, l – длина кантилевера. Обычно в 1000 раз больше. Это для кантилевера в 100 мкм и расстояния от кантилевера до фотодиода в 5 см. Оптическая система должна регистрировать всего лишь микроны, если перепады рельефа составляют нанометры.
У фотодиода четыре сегмента – A, B, C, D (рис.4b). Если замерить суммарный сигнал на всех диодах сразу, то мы получим интенсивность падающего на фотодиод света. При сканировании интенсивность практически постоянна, а при настройке оптической системы мы добиваемся, чтобы интенсивность света на фотодиоде была максимальна.
Если кантилевер перемещается вверх-вниз, то пятно на фотодиоде также перемещается вверх-вниз. А значит сигнал (А + В) – (С + D) указывает на высоту рельефа.
Также мы можем с помощью атомно-силового микроскопа измерить и силу трения, то есть фрикционные свойства поверхности. Сила трения направлена вдоль поверхности образца – горизонтально. Эта сила приводит к кручению кантилевера вокруг оси и смещению пятна на фотодиоде по горизонтали.
То есть сигнал (A + C) – (B + D) – есть ни что иное, как сила трения или коэффициент трения поверхности образца. Для правильного измерения силы трения необходимо, чтобы направление сканирования было перпендикулярно длинной оси кантилевера. Об этом надо помнить!
Итак,
- A + B + C + D – интенсивность света;
- (А + В) – (С + В) – отклонение кантилевера;
- (A + C) – (B + D) – трение.
Два последних сигнала играют важную роль при сканировании. Мы будем называть их "отклонение" и "трение".
Часто в атомно-силовом микроскопе при сканировании мы перемещаем образец, а не зонд. Так бывает удобнее, поскольку с зондом связана лазерная система.
Поэтому образец размешают на пьезокерамический манипулятор, который должен перемещать образец с точностью как минимум до 0,001 нм. Это в 100 раз меньше, чем самый маленький атом – водород. А раз так, то мы можем просканировать рельеф одного атома.
В атомно-силовом микроскопе применяют обратную связь. Если рельеф стал выше, то образец перемещают пониже. В результате кантилевер по вертикали не перемещается и сила, с которой он давит на поверхность, остается постоянной. Таким образом, мы можем обеспечить деликатное сканирование с постоянной силой. Получается режим постоянной силы.
Как работает обратная связь? Если на склоне выступа зонд стал подниматься, то сигнал "отклонения" сразу скажет, что образец надо опустить. Для этого нужна прецизионная электроника. Сигнал с фотодиода (А + В) – (С + D) поступает на чувствительный усилитель, он сравнивается с заранее выбранным значением (опорным значением), получается сигнал ошибки, он усиливается и подается на пьезоманипулятор в правильной полярности. Так, чтобы обратная связь была отрицательной. Такой регулятор называется пропорциональным.
Сигнал ошибки мы можем постоянно суммировать: ошибка то положительная, то отрицательная, и текущая сумма имеет определенное значение. Но если у нас есть маленькая ошибка, которую не может отследить пропорциональный регулятор, то теперь усиленный сигнал просуммированной ошибки вернет зонд в точно определенную позицию. И это будет интегральный регулятор, ведь интеграл – это непрерывное суммирование.
А если появляется острый выступ и два первых приема не помогают, то нужно измерять изменение сигнала ошибки – его математическую производную, и мы получим дифференциальный регулятор.
Таким образом, мы можем построить один регулятор с тремя звеньями и получим пропорциональный интегральный дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор).
ПИД-регуляторы используются повсеместно: например, при полете крылатой ракеты по пересеченной местности. Датчик регистрирует высоту полета, а обратная связь и система регулировки держат выбранный курс ракеты.
А теперь вспомним наш вопрос: что это за контактная сила, которая удерживает образец на поверхности? Эта сила играет ключевую роль в атомно-силовой микроскопии. В первую очередь, нам бы хотелось контролировать и уменьшать именно ее, ведь она приложена в точке контакта или к тому атому, который располагается в вершине зонда. Если контактная сила велика, зонд и образец деформируются и мы начинаем видеть поверхность уже не так четко.
Это сила обменного взаимодействия, которая появляется из запрета или принципа Паули. В одной точке пространства не может быть больше двух электронов, и эти два электрона должны иметь разный спин – момент количества движения.
Вы думаете, что этот принцип относится только к атомно-силовой микроскопии? Мы, наш стол, стул и сам микроскоп уже давно провалились бы сквозь пол, если бы этот принцип не работал во ВСЕХ случаях. Именно во всех.
Рассказ "ВЗГЛЯД в НАНОМИР: В контакте" можно смотреть и слушать в Интернете https://youtu.be/RHiGj5EYlsg. Там мы добавили анимацию и живую речь. Приятного и полезного просмотра.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РНФ, проект № 20-12-00389, РФФИ, проект № 20-32-90036.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. The Atomic Force Microscope, Physical Review Letters. 56 (9) (1986) 930–933. https://doi.org.10.1103/PhysRevLett.56.930
Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy, IBM Journal of Research and Development. 30 (4) (1986) 355–69.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
