Инструменты для перемещения нанообъектов
 Сложная конструкция зонда и структура возникающего электрического поля. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Одна из глобальных проблем, с которыми сталкивается развитие такого направления, как нанотехнологии, – поиск инструментов, которые помогли бы создавать структуры из отдельных наночастиц с заранее продуманной геометрией. Успехи, достигнутые учеными в области выращивания и синтезирования нужных компонент, сделали возможным создание гомогенных наночастиц, которые могли бы стать составляющими для более сложных конструкций с необходимыми свойствами. Однако, чаще всего операции с наночастицами проводятся в водных растворах, что усложняет их точное позиционирование при конструировании устройств и схем.
На сегодняшний день предложено несколько вариантов «пинцетов», работающих со столь малыми объектами. Кратко принцип их действия сводится к тому, что в качестве «ловушек» для наночастиц используются оптические или электрические поля. К сожалению, масштабы не позволяют контролировать процесс визуально, т.е., зачастую, остается открытым вопрос, а сколько частиц удалось «захватить» при помощи «пинцета»; удалось ли захватить наночастицу или «ловушка» была «занята», к примеру, молекулами жидкости. Таким образом, проблема состоит даже не в том, чтобы придумать инструментарий, а в том, чтобы сделать его безошибочным и точным.
В своей статье ученые из Гарвардского Университета (Harvard University, США) предложили использовать в качестве средства для оперирования отдельными наночастицами прообраз атомно-силового микроскопа (АСМ). В двух словах принцип действия АСМ выглядит следующим образом: зонд (острие), находящийся на конце гибкой планки, размещается достаточно близко от исследуемой поверхности так, чтобы между атомами поверхности и острия возникли силы Ван-дер-Ваальса (притяжения или отталкивания). Величина силы, и, стало быть, отклонение планки с острием от первоначального положения, зависят от расстояния до поверхности. При помощи измерения этого отклонения формируется профиль исследуемой поверхности.
Ключевым элементом «нанопинцета» гарвардских ученых является особое строение острия атомно-силового микроскопа. Исследователи предложили использовать сложный зонд, состоящий из концентрических проводящих и не проводящих электрический ток слоев. К внутреннему проводящему слою прикладывается переменное напряжение, в то время как внешний проводящий слой заземлен. Созданная конфигурация электрического поля позволяет «захватывать в ловушку» отдельные предметы наномасштаба в центре острия даже из воды благодаря явлению диэлектрофореза. Это явление связано с тем, что вода имеет диэлектрическую проницаемость много больше других веществ, таким образом, вода как бы «выталкивает» наночастицы в области с минимальными значениями электрического поля.
Сами исследователи сравнивают свой прибор с человеком, который запускает руку в непрозрачный мешок с теннисными шариками, доставая оттуда один единственный нужный им шар. К слову, размеры ловушки должны полностью соответствовать размерам интересующего их объекта (как размеры руки соответствуют теннисному шарику), чтобы быть уверенными, что единовременно «манипулятор» может захватить только одну частицу.
Конструкция острия и структура создаваемого электрического поля препятствует прямому контакту наночастицы и поверхности зонда, предотвращая, таким образом, возможное «приклеивание» частицы за счет все тех же Ван-дер-ваальсовых сил.
Разработанный прибор может использоваться, чтобы манипулировать единичными полупроводниковыми наночастицами, углеродными нанотрубками, полупроводниковыми нанопроводами и даже отдельными биологическими частицами (например, вирусами). По заявлениям создателей, технология позволяет оперировать отдельными объектами диаметром до 4 нм.
Также по теме:
Источники: