شرح خبر

ترفند جدید تصویر برداری میکروسکوپ نیروی اتمی از ساختار سه بعدی ملکول های غیر مسطح را ساده می کند.


شکل 1: تصویربرداری AFM از یک مولکول جذب شده بر روی یک لایه معمولا با راس AFM که در یک ارتفاع ثابت نوسان می کند انجام می شود ، در حالیکه شرایط تصویربرداری مطلوب (منطقه آبی روشن) فقط برای قسمت بالای مولکول صورت می گیرد. گروه دانیل ابلینگ استفاده می کند.



تقریبا ده سال پیش، رویای تجسم ساختار اتمی تک مولکولها تبدیل به واقعیت شد. تصاویر دیدنی کتاب ها از مولکول های جذب شده روی سطوح می تواند توسط یک میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) با یک نوک اماده شده ایجاد شود.


این تکنیک با موفقیت زیادی به بسیاری از مولکول­های مختلف اعمال شده است، به محققان اجازه می دهد تا قدرت اتصالات در ساختار های مولکولی یا نظارت بر واکنش های شیمیایی سطح را تعیین کنند. در این ازمایشات , در طول یک تصویربرداری نوک AFM در یک ارتفاع ثابت می ماند, که مناسب برای مولکول های صاف یا تقریبا مسطح است، اما برای مولکول های غیر مسطح با توپوگرافی سه بعدی مناسب نیست. اکنون یک تیم به رهبری دانیل ابلینگ از دانشگاه Justus Liebig Giessen در آلمان نشان می دهد که AFM می تواند ساختار سه بعدی مولکول های غیر مسطح را تصویر کند. در رویکرد خود, یک جریان تونل زنی بین نوک AFM و نمونه ای که برای کنترل ارتفاع نوک استفاده می شد قرار می گیرد, به طوری که آن را به دقت توپوگرافی(مکان نگاری) مولکول را ردیابی می کند. این روش جدید می توانست تصویربرداری AFM را به یک سطح بسیار گسترده ای از مولکول ها گسترش دهد .


میکروسکوپ نیروی اتمی در سال 1986 ، چند سال پس از میکروسکوپ پویش تونلی (STM) اختراع شد. این تکنیک ها متعلق به خانواده پروب اسکن است که در آن نوک تیز یک سطح نمونه را برای تولید یک تصویر اسکن می کند. در حالی که STM از جریان تونل زنی که از طریق خلا جریان می یابد نوک را از نمونه جدا می کند تا تصاویر ایجاد شوند. AFM از نیرویی که سطح روی نوک اعمال می کند استفاده می کند. هر دو تکنیک را می توان به طور همزمان، به روش مکمل، با STM ارائه اطلاعات در مورد ساختار الکترونیکی نمونه و AFM در ساختار اتمی خود استفاده کرد


با AFM، بالاترین قدرت تفکیک فضایی در حالت به اصطلاح غیر تماسی بدست می آید, جایی که نوک AFM در واقع سطح نمونه را لمس نمی­کند, بدست می آید. در عوض، نوک بر روی یک دیاپازون کوارتز تنظیم می شود و به سمت بالا و پایین نوسان می کند. تغییرات رزونانس فرکانسی این نوسانگر برای نظارت بر نیروی سطح نوک استفاده می شود. عنصر کلیدی برای تصویربرداری مولکولی با وضوح بالا، استفاده از AFM با یک مولکول CO در نوک است . به نظر می رسد که علاوه بر تولید یک نوک تیز و مشخص این مولکول co مانند یک حسگر نیروی کوچک عمل می­کند با خم شدن در اثر نیروهای شیمیایی کوتاه برد. معمولا آزمایش در یک حالت ارتفاع ثابت کار می کند: نوک در یک سطح موازی با سطحی که در ان مولکول که در حال ثبت تغییر تشدید فرکانس نوسان دیاپازون است قرار می گیرد. برای فاصله های مولکول نوک از جند انگستروم , نیروهای شیمیایی کوتاه برد که اطلاعات ساختاری مولکولی را حمل می کنند، غالب می شوند و می توان تصویری را که منجر به ساختار پیوند مولکول می شود، بدست آورد.


این تکنیک برای بسیاری از مولکول های مسطح یا تقریبا مسطح استفاده شده است، اما زمانی که این تکنیک در مولکول هایی با توپوگرافی سه بعدی استفاده می شود، توانایی آن محدود می شود. دلیل آن را می توان از شکل 1 (چپ) درک کرد. هنگامی که تغییر فرکانس در ارتفاع ثابت کنترل می شود شرایط تصویر برداری بهینه تنها در نزدیکی نوک اجسام سه بعدی انجام می شود. در مناطق دیگر راس بیش ار حد برای یک سیگنال مفید دور است. در نتیجه، تنها یک تصویر ناقص از یک مولکول غیر مسطح به دست می آید. جزئیات ساختاری مهم را در محدوده مولکولی یا در قسمت های مولکولی که در ارتفاع های مختلف قرار دارند، از دست می دهند. این محدودیت تا حد زیادی تفسیر تصاویری از اشیاء سه بعدی را پیچیده می کند. یک راه حل طبیعی برای این مشکل این است که نوک AFM به دقت مکان نگاری( توپوگرافی) دنبال می کند، همانطور که در شکل 1 (سمت راست) نشان داده شده است. برای رسیدن به این هدف استراتژی های مختلفی پیشنهاد شده است، اما آنها همیشه شامل روش های پیچیده و دستگاه های اضافی می شوند.

تیم Giessen ، در کار خود این محدودیت ها را برطرف می کند و برای تصویربرداری از مولکول های سه بعدی غیر مسطح ، یک ستاپ بسیار ساده تر وگسترده تر نشان داد. روش انها بر اساس یک ستاپ استاندارد AFM بدون تماسی بود یکی از ساده ترین ها که می توان تصور کرد : به جای استفاده از AFM در حالت ارتفاع ثابت ,انها از حالت جریان تونل زنی ثابت از یک STM استفاده کردند. از انجایی که جریان تونل زنی بین نوک AFM و سطح به جدایی انها بستگی دارد , این تضمین می کند که ارتفاع نوک توپوگرافی مولکول را در حال اسکن کردن ردیابی می کند، اجازه حصول یک سیگنال مفید در همه جای مولکول را می­دهد.ساده ترین ایده ها اغلب بهترین هستند: تکنیک پیشنهادی می تواند در هر ستاپ AFM بدون تماسی بدون نیاز به ابزار پیشرفته اعمال شود.


شکل 2: تصاویر AFM یک مولکول دی اتئون شده ITP در حالت ارتفاع ثابت (چپ) و حالت ثابت (راست)

از انجایی که جریان تونل زنی بین نوک AFM و سطح به جدایی انها بستگی دارد این تضمین می کند که ارتفاع نوک در حالی که اسکن کردن توپوگرافی مولکول را ردیابی می کند، اجازه می دهد که یک سیگنال مفید در همه جای مولکول پیدا شود.ساده ترین ایده ها اغلب بهترین هستند: تکنیک پیشنهادی می تواند در هر ستاپ AFM بدون تماسی بدون نیاز به ابزار پیشرفته اعمال شود.


نویسندگان ابتدا یک مولکول مسطح 2-iodotriphenylene (ITP) ( C18H11IC18H11I) را مطالعه کردند. در یک لایه نقره قرار داده شده, نشان می دهد که روش های ارتفاع ثابت و جریان ثابت به نتایج قابل مقایسه ای می رسند، اگر چه تصاویر لبه های مولکولی در مورد ارتفاع ثابت تار می شوند. سپس یکی از مولکول های اتم های ید را با اعمال یک پالس ولتاژ به یک پیوند کربن ید (از طریق نوک) حذف می کنند. در نتیجه, مولکول فرم یک رادیکال – یک مولکول شیمیایی واکنشگر با یک الکترون ظرفیت جفت نشده- با یک ساختار سه بعدی پیچیده را می گیرد. آنها نشان می دهند که برخی از بخش های رادیکال در حالت ارتفاع ثابت اصلا قابل مشاهده نیستند [شکل.2 (سمت چپ) ] اما در حالت جریان ثابت قابل مشاهده هستند. [شکل. 2 (راست)] به طور خاص، آنها می توانند نشان دهند که بخش خاصی از مولکول، به اصطلاح حلقه آرییل دیئودین شده، به سمت سطح به شدت خم شده است.



یکی دیگر از مزایای مهم تکنیک جدید این است که به آزمایش­کنندگان اجازه می دهد تا مناطق نمونه بزرگتر را بدون ریسک خرابی نوک به یک مانع غیرمنتظره مانند مرحله اتمی یا نوع دیگری از مولکول که ممکن است روی سطح وجود داشته باشد اسکن کند. علاوه بر این هم مولکول هم لایه می توانند به طور همزمان تصویر شوند, که تسهیل در تعیین جهت و محل مولکول بر روی سطح , اطلاعات مهم برای درک چگونگی تغییر خواص ملکولی بر روی سطح را می دهد.


همانند هر ایده جدید، برخی از اشکالات وجود دارد. یکی از محدودیت های واضح این روش این است که آن را منحصر به رسانایی الکترکی لایه ها کرده اجازه می دهد یک جریان از نوک نمونه به لایه جریان یابد. اما بسیاری از مواد عایق را می توان در قالب فیلم هایی استفاده کرد که به اندازه کافی نازک هستند تا اجازه عبور جریان تونل زنی را بدهند. یکی دیگر از اشکالات ممکن هنگام مقایسه نتایج تجربی با محاسبات عددی ظاهر می شوند: محاسبه یک تصویردر حالت جریان ثابت نیاز به منابع عددی بیشتری نسبت به حالت ارتفاع ثابت دارد. این به این دلیل است که در محاسبات جریان ثابت, برای پیدا کردن هر نقطه از تصویر باید ارتفاع مطابق با نقطه انتخاب شده باشد و محاسبات را بر اساس ان ارتفاع انجام داد.


حالت جریان ثابت یک AFM باید اثر فوری داشته باشد. ، به عنوان مثال، در زمینه شیمی سطح، که در آن محققان از یک سطح برای ترکیب مولکول های جدید از کوچکتر استفاده می کنند . همچنین می تواند ساختار مولکول ها را توضیح دهد که هیچ روش دیگری نمی تواند از عهده ان براید. با توجه به قابلیت استفاده عمومی ان , ما به دنبال استفاده های بیشتر ان در اینده می رویم. در این مقاله, جریان معین و ولتاژ بایاس برای کنترل ارتفاع نوک AFM در محدوده ای که تغییر فرکانس AFM اطلاعات ساختار مولکولی را حمل می کند استفاده می شود . هنوز مشخص نیست که آیا این شرایط آزمایش همیشه با ثبات مولکول های شکننده خاص سازگار خواهد بود. اما گسترش ساده ریزنگاری مبتنی بر نیروی اتمی به مولکول های غیر مسطح که توسط نویسندگان نشان داده شد پتاسیل یک دستاورد مهم در زمینه تصویر برداری AFM را دارد. با وجود سه دهه از اختراع نیروی اتمی میکروسک.پی هنوز شگفت زده کردن ما متوقف نشده است

درباره نویسنده:


سباستین گوتیر در دانشگاه پاریس تحصیل کرد.در سال 1986 , او دکترای خود را از دانشگاه Diderot پاریس در گروه فیزیک حالت جامد, کار بر روی طیف سنجی تونل زنی الکترونی غیرالاستیکی در تونل زنی اتصالات جامد دریافت کرد.او اکنون مدیر تحقیقات مرکز ملی تحقیقات علمی (CNRS) در گروه علم نانوCEMES در تولوز فرانسه است.تحقیقات او بر مطالعه یک تک مولکول جذب شده روی فلز و عایق ها با ریزنگاری مبتنی بر تونل زنی و ریز نگاری مبتنی بر نیروی اتمی در خلا خیلی زیاد تمرکز دارد.


منبع خبر: وبگاه APS


نویسنده خبر: مینا بهرامی





نویسنده خبر: شانت باغرام
کد خبر :‌ 2833
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌



حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Webmaster : Ali Meschian : www.irandg.com

www.irandg.com