Умная новая конструкция микроскопа позволяет исследователям в области нанотехнологий из Национального института стандартов и технологий (NIST) отслеживать движение наночастиц в растворе, когда они перемещаются в трех измерениях. Исследователи надеются, что технология, которую NIST планирует запатентовать, приведет к лучшему пониманию динамики наночастиц в жидкостях и, в конечном итоге, к методам управления технологическим процессом для оптимизации сборки нанотехнологических устройств.
Хотя некоторые нанотехнологии изготовления заимствуют у литографии и твердотельных методов микроэлектронной промышленности, не менее многообещающий подход основан на «направленной самосборке». Это позволяет использовать физические свойства и химическое сродство наночастиц в растворах, чтобы побудить их собираться и располагаться в желаемых структурах в желаемых местах. Потенциальные продукты включают чрезвычайно чувствительные массивы химических и биологических датчиков, а также новые медицинские и диагностические материалы на основе «квантовых точек». и другие наноразмерные материалы. Но когда ваш продукт слишком мал, чтобы его было видно, контролировать процесс сборки сложно.
Микроскопы могут помочь, но микроскоп видит трехмерный объем жидкости как двумерную плоскость. Нет реального смысла движения частиц «вверх и вниз» в его поле зрения, за исключением того, что они становятся более или менее нечеткими по мере того, как они перемещаются по плоскости, в которой инструмент находится в фокусе. На сегодняшний день попытки представить трехмерное изображение движения наночастиц в растворе в значительной степени полагались на эту нечеткость. Теория оптики и математика могут оценить, насколько далеко частица находится выше или ниже фокальной плоскости, на основе дифракционных картин в нечеткости. Однако математика чрезвычайно сложна и требует много времени, а алгоритмы на практике неточны.
Одна из альтернатив, как сообщили исследователи NIST на ежегодном собрании Американского физического общества,заключается в использовании геометрии вместо алгебры. В частности, боковые стенки микроскопического образца, расположенные под углом, хорошо действуют как зеркала, отражая вид сбоку объема до микроскопа одновременно с видом сверху. (Типичная лунка для образца имеет площадь 20 микрон и глубину 15 микрон.)
Микроскоп видит каждую частицу дважды, одно изображение в горизонтальной плоскости и одно в вертикальной. Поскольку эти две плоскости имеют одно общее измерение, это простой расчет, чтобы сопоставить их и вычислить трехмерный путь каждой частицы. «По сути, мы сводим проблему отслеживания в 3D к проблеме отслеживания в 2D дважды», - объясняет ведущий автор Мэтью МакМахон.
Двухмерную проблему решить проще - несколько программных методов могут вычислять и отслеживать двумерное положение с точностью до 10 нанометров. Измерение движения наночастиц в таком мелком масштабе - скорости, диффузии и т. п. - позволит исследователям рассчитать силы, действующие на частицы, и лучше понять основные правила взаимодействия между различными компонентами. Это, в свою очередь, позволит лучше проектировать и контролировать процессы сборки наночастиц.
М. МакМахон, А. Берглунд, П. Кармайкл, Дж. Макклелланд и Дж. А. Лиддл. Ортогональная следящая микроскопия для исследования нанотехнологий. Доклад представлен в понедельник, 10 марта 2008 г., в 13:03 на мартовском собрании Американского физического общества 2008 г., Новый Орлеан, штат Луизиана, 10-14 марта 2008 г.