نگاهی دقیق به درون مولکول با شبیه‌سازی رایانه‌ای
ثمین موتمن‌فر/ کارشناس الکترونیک نوری
سیناپرس: پژوهشگران به تازگی توانسته‌اند با اتصال مولکول‌ها یا اتم‌های کوچک به سوزن میکروسکوپ روبشی تونلی که در واقع نوعی ریزبین سطوح در ابعاد کوچک‌تر از نانو است، وضوح تصویر آن را به طور قابل ملاحظه‌ای بهبود دهند. پیش از این و برای نخستین بار نتایج تصویری این نوع میکروسکوپ توانسته بود ساختار هندسی مولکول‌ها را به تصویر بکشد. به همین دلیل میکروسکوپ روبشی تونلی در سال‌های اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است.
درک عمیق‌تر ساختار هندسی مولکول
به تازگی دانشمندان مرکز پژوهشی یولیش آلمان و آکادمی علوم جمهوری چک در پرو با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای توانستند بینش عمیق‌تری نسبت به فیزیک حاکم بر چنین روش‌های تصویربرداری جدید به دست آورند.
مقایسه‌ای بین نتایج تجربی و شبیه‌سازی‌های پژوهشگران نشان دهنده تطابق کامل بین آنها است. بنابراین مدل نظری جدید می‌تواند طرزکار تصاویر میکروسکوپی را به خوبی توضیح دهد. این مقایسه برای تحلیل کردن تصاویر ضروری است.
مولکول متصل به نوک سوزن
پژوهشگران روشی ابداع کردند که بر اساس آن یک مولکول مانند مولکول هیدروژن یا کربن مونوکسید را به نوک سوزن میکروسکوپ روبشی تونلی متصل کرده و از آن به عنوان پروب (گیره یا میله) اندازه‌گیر به شدت حساس استفاده می‌کنند.
این روش باعث می‌شود میکروسکوپ روبشی تونلی به عنوان یک میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده شود که قادر است ساختار هندسی مولکول‌ها را با دقت بی‌سابقه‌ای به تصویر بکشد.
در مولکول‌های آلی مرکب، ابرهای بار ظرفیت در سراسر مولکول‌ها گسترده می‌شوند، لذا ساختار اتمی این مولکول‌ها را پنهان می‌کنند.
مولکول‌هایی که به طور انعطاف‌پذیری به سوزن میکروسکوپ متصل شده‌اند قادر هستند ساختار اتمی را در مولکول‌های آلی مرکب قابل مشاهده سازند و به عنوان سنسورهای سفارشی و مبدل‌های سیگنال به کار روند.
منبع جدید اطلاعات در علم مواد
در سال‌های اخیر، استفاده از این سنسورهای اتمی در میکروسکوپ‌های نیروی اتمی مفید واقع شده است. به طوری که برای اولین بار پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا نشان دادند این سنسورها برای بهبود سیگنال در یک حالت تصویربرداری به نام طیف‌سنجی تونلی غیر کشسانی الکترون نیز می‌توانند استفاده شوند. در این مورد، واکنش بسیار حساس نسبت به پتانسیل سطح نمونه اسکن شده با ارتعاشات مولکول حسگر در برابر سوزن میکروسکوپ ظاهر می‌شود.
محاسبات انجام شده توسط پژوهشگران نشان می‌دهد که نیروهای الکترواستاتیکی بر روی تصاویر با دقت بالا در میکروسکوپ‌های نیروی اتمی، روبشی تونلی و طیف‌سنجی تونلی غیر کشسانی الکترون تاثیر می‌گذارند. نتایج این پژوهش کمک مهمی به استفاده از طیف‌سنجی تونلی غیر کشسانی الکترون خواهد کرد.
نتایج استفاده از روش شبیه‌سازی در طیف‌سنجی تونلی غیر کشسانی الکترون در آینده می‌توانند به استنتاج پارامترهای جدید از تصاویر منجر شوند و به عنوان منبع جدید اطلاعات در علم مواد استفاده شوند.
میکروسکوپ یا ریزبین چیست؟
تجهیزات اندازه‌گیری و تعیین مشخصات مانند انواع میکروسکوپ‌ها برای تعیین خصوصیات مواد آلی و معدنی، شناسایی ترکیبات مختلف بیولوژیک و غیره به کار می‌روند و نقش مهمی در پیشبرد علوم مختلف زیستی، شیمی و فیزیک بازی می‌کنند.
انواع میکروسکوپ از نظر نوع آشکارساز، میکروسکوپ‌های الکترونی، میکروسکوپ‌های نوری و پروب روبشی هستند.
میکروسکوپ نیروی اتمی چیست؟
میکروسکوپ نیروی اتمی که از دسته میکروسکوپ‌های پروب روبشی است برای بررسی خواص و ساختار سطحی مواد در ابعاد نانومتر به کار می‌رود. انعطاف‌پذیری، سیگنال‌های بالقوه متعدد و امکان عملکرد دستگاه در حالت‌های مختلف پژوهشگران را در بررسی سطوح گوناگون و تحت شرایط محیطی متفاوت توانمند ساخته است.
این دستگاه امکان عملکرد در محیط خلاء، هوا و مایع را دارد. بر خلاف اکثر روش‌های بررسی خواص سطوح، در این روش غالبا محدودیتی بر روی نوع سطح و محیط آن وجود ندارد.
توسط این دستگاه می‌توان سطوح رسانا یا عایق، نرم یا سخت، منسجم یا پودری، بیولوژیک و آلی یا غیر‌آلی وجود دارد.
خواص قابل اندازه‌گیری با این دستگاه شامل مورفولوژی هندسی، توزیع چسبندگی، اصطکاک، ناخالصی سطحی و قطبش الکتریکی نقاط مختلف است. در عمل از این قابلیتها برای بررسی خوردگی، تمیزی، یکنواختی، زبری، چسبندگی و اندازه استفاده می‌شود.
نحوه عملکرد این دستگاه به این صورت است که یک سوزن بسیار تیز و ظریف به نوک یک جسم با قابلیت ارتجاع به تیرک وصل شده است و سر دیگر تیرک به یک بازوی پیزوالکتریک متصل است.
پیزوالکتریک نوعی سرامیک است که با اعمال اختلاف ولتاژهای معمولی به دو سر آن طولش به اندازه مرتبه‌ای از یک دهم نانومتر تغییر می‌کند و از آن برای جابجایی‌های بسیار دقیق استفاده می‌شود.
پشت لرزانک با یک لایه نازک از فلز، برای بهبود انعکاس باریکه لیزر از آن، پوشیده شده است. انعکاس باریکه لیزر به منظور آگاهی از جهت‌گیری تیرک در فضا است. به هنگام مجاورت سوزن با سطح نمونه، نیرویی به سوزن وارد می‌شود که بزرگی و جهت آن وابسته به فاصله نوک سوزناز سطح و همچنین نوع سطح است.
نیروی ناشی از سطح باعث خم شدن تیرک می‌شود و باریکه لیزر در صفحه عمود بر افق جابجا می‌شود. در نتیجه با آگاهی از میزان خمیدگی تیرک توسط دیودهای نوری و از طرفی معلوم بودن مکان انتهایی تیرک، موقعیت فضایی سوزن مشخص می‌شود. از طرفی میزان خمیدگی تیرک بیانگر فاصله سوزن از سطح است که با توجه به مشخص بودن موقعیت فضایی سوزن، موقعیت فضایی سطح تعیین می‌شود.
با تغییر پیوسته اختلاف ولتاژهای اعمال شده به پیزوالکتریک، سوزن سطح نمونه را جاروب می‌کند و با مکانیزم ذکر شده موقعیت تک‌تک نقاط سطح تعیین می‌شود. در نهایت نتیجه در نمایشگر یک رایانه به صورت سه بعدی ترسیم می‌شود.
میکروسکوپ روبشی تونلی چیست؟
این میکروسکوپ نیز نوع دیگری از میکروسکوپ‌های پروب روبشی می‌باشد که در مرکز پژوهشی یولیش آلمان مورد ارتقا قرار گرفته است برای بررسی ساختار و برخی از خواص سطوح مواد رسانا، مواد بیولوژیک که تا حدی رسانا هستند و همچنین لایه‌های نازک نارسانا که روی زیرلایه رسانا لایه نشانی شده‌اند، در حد ابعاد زیرنانومتر به‌کار می‌رود.
مبنای اندازه‌گیری بر این واقعیت استوار است که هرگاه فاصله سوزن از سطح رسانا حدود چند نانومتر باشد و اختلاف ولتاژی به اندازه چند ده میلی ولت به آن اعمال شود، جریان الکتریکی حدود چند نانو آمپر بین سوزن و سطح برقرار می‌شود. به این پدیده در اصطلاح جریان تونل‌زنی گفته می‌شود که در سایه مکانیک کوانتومی اتفاق می‌افتد.
مقدار جریان الکتریکی تابعی از فاصله سوزن از سطح، شکل و جنس سوزن، هندسه و جنس سطح و اختلاف ولتاژ سوزن و سطح است.
اصول کلی کار این دستگاه به این صورت است که به منظور تنظیم مکان سوزن متصل به بازوی پیزوالکتریک نسبت به سطح نمونه، اختلاف ولتاژهای مناسبی به پیزوالکتریک اعمال می‌شود و سوزن به هر نقطه دلخواه با دقت یک دهم نانومتر منتقل می‌شود.
برای تهیه نقشه خصوصیات یک ناحیه از سطح، سوزن به بالای تک تک نقاط سطح منتقل می‌شود که در اصطلاح این فرایند روبش سطحی نامیده می‌شود.
No tags for this post.
