«УТВЕРЖДАЮ Проректор НИЯУ МИФИ _ _ _ 2012 г. Программа обучения преподавателей и специалистов высшего и общего образования по работе с одаренными детьми и подростками в системе взаимодействия учреждений высшего и общего ...»

4. В результате неупругого соударения двух тел приращение кинетической энергии системы составило -50Дж. Как при этом изменилась механическая энергия?

5. Груз массой 200г вращается на нитке в вертикальной плоскости. В высшей точке траектории его механическая энергия равна 2Дж. Какой будет она в низшей точке траектории? Сопротивлением воздуха пренебречь.

1. Прямое определение потенциальной энергии материальной точки в поле консервативной силы.

2. Мальчик сидит в лодке и держит камень массой 1кг в метре над поверхностью пруда. Потенциальная энергия камня при этом равна 10Дж.

Какой станет потенциальная энергия камня, когда он окажется на дне пруда, глубиной 5м?

3. В некоторой механической системе работают неконсервативные силы, но сама система является консервативной. Как это может быть?

4. Может ли механическая энергия сохраняться в системе, которая не замкнута. Ответ обосновать.

5. В результате неупругого соударения двух тел приращение механической энергии системы составило -10Дж. Как при этом изменилась кинетическая энергия?

1. Прямое определение потенциальной энергии материальной точки в поле консервативной силы.

2. Как известно, потенциальная энергия гравитационного взаимодействия масс m1 и m2, расположенных на удалении r друг от друга, задается соотношением: П. Где при этом находится нулевой уровень?

3. Известно, что система тел не замкнута, но механическая энергия в ней сохраняется. Почему?

4. В результате неупругого соударения двух тел приращение кинетической энергии системы составило -50Дж. Как при этом изменилась механическая энергия?

5. Груз массой 200г вращается на нитке в вертикальной плоскости. В высшей точке траектории его механическая энергия равна 2Дж. Какой будет она в низшей точке траектории? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Перечень рекомендуемых учебных изданий, интернет – ресурсов, дополнительной литературы:

1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика - 10класс.

Учебник для общеобразовательных учреждений: базовый и профильный уровень/ М.: Просвещение, 2009 и далее 2. Физика-Учебник для 10 класса с углубленным изучением физики/ Под ред. А. А. Пинского, О.Ф.Кабардина / М.: Просвещение, 2004 и далее 3. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин.

4. Физика - 11класс. Учебник для общеобразовательных учреждений:

базовый и профильный уровень/ М.: Просвещение, 2009 и далее.

5. Физика-Учебник для 11 класса с углубленным изучением физики. / Под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина / М.: Просвещение, 6. А. П. Рымкевич. Физика. Задачник для 10 - 11 кл.: Пособие для общеобразовательных учреждений. / М.: Дрофа, 7. Повторительный цикл по физике. Сборник задач для 11 класса/ Под редакцией В.В. Грушина: М., МИФИ,2011.

8. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика - 10класс.

Учебник для общеобразовательных учреждений: базовый и профильный уровень/ М.: Просвещение, 9. Физика - 11класс. Учебник для общеобразовательных учреждений:

базовый и профильный уровень/ М.: Просвещение, 10.Физика-Учебник для 11 класса с углубленным изучением физики. / Под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина / М.: Просвещение, 2004 и далее.

11.А. П. Рымкевич. Физика. Задачник для 10 - 11 кл.: Пособие для общеобразовательных учреждений. / М.: Дрофа,2004 и далее.

12.Сборник задач по физике для 10-го класса ФМЛ (под редакцией Н. А.

Добродеева) - М.: МИФИ, 2008.

13.Пособие по физике «Ускорение и сила, импульс и энергия». В помощь учащимся 9 класса. Коллектив авторов. Под редакцией В.В.Грушина.

НИЯУ МИФИ. Москва 2010г.

14.Физика. Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений.

И.К.Кикоин, А.К.Кикоин. 8-е издание. Москва. «Просвещение». АО «Московские учебники» 2000г.

15.Пособие по физике «От пружины до атомного ядра». В помощь учащимся 9 класса. Коллектив авторов. Грушин В.В., Добродеев Н.А.

Самоварщиков Ю.В. НИЯУ МИФИ. Москва 2009г 16. Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений. Коллектив авторов. Под редакцией А.А.Пинского и В.Г.Разумовского. 4-е издание.

Москва. «Просвещение». 2005г.

17. Пособие по физике «Ускорение и сила, импульс и энергия». В помощь учащимся 9 класса. Коллектив авторов. Под редакцией В.В.Грушина. НИЯУ МИФИ. Москва 2010г.

Модуль 2.2. Методические средства изучения вопросов нанотехнологий и наноматериалов в курсах естественно-научного цикла Учебный план модуля вопросов нанотехнологий наноматериалов естественнонаучного цикла Учебно-тематический план модуля наноматериалов в курсах естественнонаучного цикла Нанотехнологии и наноматериалы в курсах физики, химии, биологии Инструментальные нанотехнологиях:

сканирующая зондовая микроскопия Методические рекомендации по изучению Модуля 2.2.

Появление в средних общеобразовательных учреждениях современных средств информатики и использование их в качестве нового педагогического инструмента, позволяют существенным образом повысить эффективность образовательного процесса. Сегодня информационные и телекоммуникационные средства стали развивать и предлагать педагогам новые методы и организационные формы учебной работы, которые в дальнейшем способны поддерживать практически все многообразие образовательных процессов в средней школе.

Использование современных информационных и телекоммуникационных технологий для поддержки процесса обучения в общеобразовательных школах по дисциплинам естественнонаучного профиля, обеспечение возможности удаленного доступа педагогов и учащихся к научной, учебной и учебно-методической информации позволяют значительно увеличить возможности и мотивацию получения новых профильных знаний, повысить эффективность образовательного процесса. В связи с этим преподавание элективного курса «Введение в нанотехнологии» как дополнительных модулей в программы физики, химии и биологии для учеников 10-11 классов с использованием сети Интернет становится особенно актуальной задачей.

При этом важно создать условия для двухстороннего общения, обеспечения публичного обсуждения и простым доступом к учебным и учебнометодическим материалам.

Для решения поставленной задачи информационного сопровождения преподавания элективного курса «Введение в нанотехнологии» как дополнительных модулей в программы физики, химии и биологии для учеников 10-11 классов разработаны и запущены в работу два тематических нанотехнологии» http://nano-edu.ulsu.ruпредназначен для представления, экспертной оценки и обсуждения учебно-методического сопровождения преподаваемых материалов курса, а второй «Нанотехнологии в школе»http://nanoschool-edu.ulsu.ru имеет целью организовать открытую.среду по обсуждению концепций, методик преподавания, доступности и перспектив внедрения такого сложного курса в 10-11 классах общеобразовательной школы. Первый сайт «Введение в нанотехнологии»

является официальным сайтом проекта и педназначен прежде всего для учителей и педагогов средних общеобразовательных школ, второй сайт «Нанотехнологии в школе» предназначен для школьников и учителей занимающихся нанотехнологиями.

Кроме того, созданные сайты представляют собой педагогические инструменты для проектирования и преподавания учебного курса «Введение в нанотехнологии» с использованием элементов дистанционного обучения.

Электронный контент Модуля 2.2.

Тема 1. Нанотехнологии и наноматериалы в курсах физики, химии, биологии Сфера нанотехнологий считается во всем мире ключевой темой для технологий XXI века. Возможности их разностороннего применения в таких областях экономики, как производство полупроводников, медицина, сенсорная техника, экология, автомобилестроение, строительные материалы, биотехнологии, химия, авиация и космонавтика, машиностроение и текстильная промышленность, несут в себе огромный потенциал роста.

Применение продукции нанотехнологий позволит сэкономить на сырье и потреблении энергии, сократить выбросы в атмосферу и будет способствовать тем самым устойчивому развитию экономики.

С одной стороны, нанотехнологии уже нашли сферы применения, с другой – они остаются для большинства населения областью научной фантастики. В будущем значение нанотехнологий будет только расти. В специализированной области это будет пробуждать интерес и стимулировать проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также работ по нахождению новых областей применения нанотехнологий.

Очевидным необходимым условием развития данного процесса является усиленное внедрение основ науки о нанотехнологиях в образовательные программы в школах и вузах. Это поможет сократить сохраняющийся дефицит молодых специалистов в этой области.

Нанотехнологии представляют особенно трудный для преподавания предмет.

Это не традиционная дисциплина, а, скорее, комбинация из физики, химии, биологии, математики, инженерии и технологий. Тем не менее, аспекты нанотехнологий представляются школьникам многообещающими и пробуждают интерес к обучению в сфере естественных и технических наук.

Разработка учебно-методического сопровождения учебного модуля «Введение в нанотехнологии» в программы физики, химии, биологии основного и среднего общего образования позволит выработать образовательную стратегию и концепцию современного представления знаний по инновационной нанотехнологической тематике в учреждениях среднего общего образования Российской Федерации, ознакомить учащихся и учителей с современными понятиями нанотехнологий, с материалами учебных программ и в дальнейшем позволит внедрить в образовательный процесс мотивационный фактор профессиональной ориентации как основу формирования кадрового резерва для высокотехнологичных отраслей экономики, в том числе отраслей, использующих нанотехнологии.

Данные действия позволят обеспечить непрерывность профессионального образования «школа-вуз» и сократить разрыв между учебными планами и программами подготовки специалистов по нанотехнологическим направлениям и представлениями сегодняшних выпускников общеобразовательных учреждений о специфике областей знания, необходимых для получения соответствующего высшего образования.

Введение дополнительных разделов по программам физики, химии и биологии позволит структурировать крайне противоречивые и несистематические представления потенциальных абитуриентов, стремящихся получить высшее образование в области нанотехнологий, и преподавателей средней школы о нанотехнологиях.

В 2009 году в НИЯУ МИФИ на факультете «Автоматика и электроника»

силами сотрудников и преподавателей кафедры «Микро- и наноэлектроника»

была организована 1-я олимпиада школьников «Наноэлектроника». В году была проведена 2-я олимпиада, причем уже в качестве предварительного тура для всероссийской физико-математической олимпиады «Росатом». Учитывая популярность олимпиады среди школьников и их желание получить олимпиадные льготы, а также в целях проведения профориентационных мероприятий по пропаганде новейших достижений в области нанотехнологий и наноэлектроники среди школьников – будущих абитуриентов престижных вузов не только в Москве и Центральном регионе, но и в Санкт-Петербурге и Северо-Западном регионе, к проведению 2-й олимпиады присоединился Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет «ЛЭТИ». Поэтому в году очный и заочный этапы олимпиады «Наноэлектроника» были одновременно проведены в Москве и Санкт-Петербурге.

Если в 2009 году число участников, победителей и призеров олимпиады было немногочисленным (всего 35 участников), то уже в 2010 году в олимпиаде приняло участие уже около 300 школьников из различных регионов и городов России (Мурманская и Ленинградская области, Республика Татарстан, Владимирская, Смоленская, Рязанская, Курская и другие области). Победителями и призерами олимпиады, которые были допущены к заключительному этапу олимпиады «Росатом» стали более школьников. Можно считать, что опыт проведения специализированной (в отличии от «обычных» профильных олимпиад по физике и математике) олимпиады «Наноэлектроника» был вполне успешным. Вероятно, стоит надеяться на то, что данная олимпиада, учитывая растущий интерес школьников к наноэлектронике, войдет в официальный перечень олимпиад и станет одним из новых брендов НИЯУ МИФИ, который позволяет усилить пропаганду специальностей, связанных с высокими технологиями, привлечь к ним внимание школьников, не потерять среди поступающих в университет наиболее подготовленных и мотивированных на образование и серьезную работу по будущей специальности, например, «физика-наноэлектронщика» и «физика-нанотехнолога», абитуриентов.

В «Сборнике задач и заданий с ответами, решениями и комментариями» под редакцией доцента В.А.Лапшинского собраны задачи с ответами, решениями и подробными комментариями, которые предлагались участникам олимпиады на очных этапах олимпиады в 2009/10 гг, тестовые (с ответами) и творческие задания с комментариями заочных (или Интернет туров) этапов олимпиад. Следует отметить, что авторы задач и заданий в олимпиадных вариантах и составитель в этом сборнике приложили максимум усилий, чтобы в комментариях пояснить и даже визуализировать новейшую и порой неизвестную школьником терминологию в области физики наномира и наноэлектроники. Поэтому данный сборник следует рассматривать не только как традиционные сборники задач с решениями, которые помогают новым поколениям абитуриентов почувствовать уровень олимпиад в избранном вузе и самостоятельно готовиться к поступлению, но и как дополнение к пока немногочисленному списку популярных изданий в области наноэлектроники и нанотехнологий. Именно поэтому сборник может быть интересен учителям физики (и не только) общеобразовательных учреждений для подготовки и организации уроков с углубленным изучением как физики макро-, так и физики наномира.

В приложениях к сборнику имеется официальная документация олимпиады «Наноэлектроника»: положение и регламент олимпиады, ответы на часто задаваемые абитуриентами в приемных комиссиях вузов вопросам и другие документы. По-мнению автора данные документы будут полезны как для организаторов других специализированных олимпиад, так и тех энтузиастов, которые захотят присоединиться к олимпиаде «Наноэлектроника» и организуют ее проведение в собственных вузах.

В приложения включена также статистика и аналитика олимпиады «Наноэлектроника», что может помочь, например, в разработке задач и заданий будущих олимпиад по наноэлектронике.

Для учеников, увлекающихся наномиром, можно разрабатывать различные задания и рабочие тетради (А.Б.Гильденберг, Казакова Е.И., А.Г.Тяглый Увлекательный мир нанотехнологий. Методические рекомендации для педагогов к рабочей тетради для старшеклассников ООО «Издательство «Лема», 2011 год.), чтобы помочь старшеклассникам войти в мир актуальных научных трендов, обрести опыт анализа неадаптированных для учебных целей текстов, который необходим каждому человеку, планирующему связать свое будущее с миром науки, технологий, конструирования и изобретательства, современной экономики и социального проектирования.

Что сделали авторы? Они отобрали на открытых ресурсах фрагменты научных и научно-популярных текстов, которые в той или иной степени раскрывают магический смысл этих «четырех букв». Авторы отбирали тексты по нескольким признакам: они нам нравились, были ясными, достаточно короткими для восприятия, проблемными и интересными.

Что авторы сделали еще? Они придумали задания, которые интересно выполнить после прочтения текста, и сформулировали советы, как именно выполнять задания.

Что авторы предлагают сделать? Главное — это прочитать тексты и постараться выполнить задание. Лучше всего сделать это не одному, а в компании единомышленников; если повезет, то под руководством учителя или одного из старших и более опытных исследователей. При выполнении заданий полезно следовать инструкциям и обмениваться мнениямисуждениями со своей учебной командой.

Работать с тетрадью можно в любой последовательности. Можно довериться составителям и сначала прочитать инструкции к выполнению заданий, а потом последовательно осваивать текст за текстом. Так разумно поступить всем, кто чувствует в себе человека, склонного к систематизации, последовательности, порядку.

Но можно поступить иначе: пролистать всю тетрадь и начать читать текст, который заинтересует в наибольшей степени, а к советам и рекомендациям обращаться только по мере возникновения затруднений.

Разработчики следовали достаточно древней традиции «уважения к тексту», который сам по себе может стать не только источником значимых идей и информации, но и эффективным мотиватором и организатором образовательного (или исследовательского) процесса, им же порожденного.

С другой стороны, современное понимание качества образования требует от каждого выпускника общеобразовательной школы достижения уровня исследовательской компетентности, которая бы позволила ему самостоятельно осваивать сложные неадаптированные источники знания.

Предлагаемые статьи в этом смысле являются своеобразным тренажером к самостоятельному познавательному восхождению.

Два примера, которые помогут учителям, используя научно-популярные статьи, составлять задания для учеников по образцу, изложенному в рабочей тетради.

Статья Генриха Владимировича Эрлиха, доктора химических наук, члна Редакционно-издательского и Информационного совета Нанотехнологического общества России, «Мифы нанотехнологий»

помогает разобраться, что из наших знаний о нанотехнологиях – правда, а что – всего лишь миф.

Любой вид человеческой деятельности обрастает мифами. Нанотехнологии, главный научно-технологический проект современности, не исключение.

Более того, здесь мифотворчество касается самой сути. Большинство людей.

Даже принадлежащих к научному сообществу, убеждены, что нанотехнологии – это в первую очередь манипулирование атомами и конструирование объектов посредством сборки из атомов. Это – главный миф. Научные мифы имеют двоякую природу. Одни порождаются неполнотой нашего знания о природе или недостатком информации. Другие создаются сознательно с определенной целью.

В случае нанотехнологий мы имеем второй вариант. Благодаря этому мифу и вытекающим из него следствиям удалось привлечь внимание власть имущих и резко ускорить запуск проекта «Нанотехнологии» с автокаталитическим ростом объема инвестиции. В сущности, это было небольшое шулерство, вполне допустимое правилами игры на высшем уровне. Миф сыграл свою благотворную роль инициатора процесса и был благополучно забыт, когда дело дошло собственно до технологий.

Но мифы обладают удивительным свойством: родившись, они начинают жить собственной жизнью, демонстрируя при этом поразительную живучесть и долголетие. Они настолько прочно укореняются в сознании людей, что влияют на восприятие действительности. Реальные нанотехнологические процессы, как зарубежные, так и проекты «Роснано», в корне противоречат мифу, что порождают сумятицу в головах (большинство людей до сих пор не понимает, что такое нанотехнологии), неприятие (это не настоящие нанотехнологии!) и даже отрицание нанотехнологий как таковых.

Помимо главного мифа история нанотехнологий являет нам несколько сопутствующих мифов, которые возбуждающе действуют на разные группы населения, порождая необоснованные надежды у одних и панический страх у других.

Миф об отце-основателе Самый безобидный в череде мифов- приписывание Ричарду Фейнману, специалисту в области квантовой теории поля физики элементарных частиц, роли отца- основателя нанотехнологии. Этот миф возник в 1992 году во время выступления пророка нанотехнологии Эрика Дрекслера перед сенатской комиссией на слушаниях на тему «Новые технологии для устойчивого развития». Для продавливания придуманного им нанотехнологического проекта Дрекслер сослался на высказывание нобелевского лауреата по физике, незыблемый авторитет в глазах сенаторов.

К сожалению, Фейнман скончался в 1988 году и поэтому не мог ни подтвердить, ни опровергнуть это высказывание. Но если бы он мог его услышать, то, скорее всего, весело рассмеялся бы. Он был не только выдающимся физиком, но и знаменитым шутником, недаром его автобиографическая книга носила название: «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» Соответственно была воспринята та самая прославленная речь Фейнмана, которую он произнес на предновогоднем ужине Американского общества физики в Калифорнийском технологическом институте. По воспоминаниям одного из участников того собрания американского физика Пола Шликта: «Реакцию зала в общем и целом можно назвать веселой.

Большинство подумало, что докладчик валяет дурака». Но слова: «Известные нам принципы физики не запрещают создать объекты «атом за атомом».

Манипуляция атомами вполне реальна и не нарушает никаких законов природы», – были сказаны, это факт. Остальное представляло собой рассуждения на тему миниатюризации вкупе с футурологическими прогнозами. По прошествии четверти века некоторые из высказанных Фейнманом идей были «творчески» развиты Эриком Дрекслером и породили главные мифы нанотехнологии. Далее мы будем часто возвращаться к этой речи, чтобы напомнить, что на самом деле говорил Фрейнман, а заодно получить удовольствие от четкости и образности формулировок великого ученого.

Миф о безотходной технологии Создавая объект атом за атомом, мы, очевидно, применяем безотходную технологию. Слово «очевидно» употреблено здесь в самом что ни есть первозданном смысле –когда люди, в первую очередь чиновники, смотрят на картинки, изображающие процесс манипулирования атомами, они не видят никаких отходов, никаких дымящих труб, загрязняющих атмосферу, и промышленных стоков, загрязняющих водоемы, По умолчанию понятно, что для перетаскивания почти невесомого атома на расстояние в несколько нанометров требуется ничтожное количество энергии. В общем, идеальная технология для «устойчивого развития» -концепции, чрезвычайно популярной в 90-е годы прошлого столетия.

Вопрос, откуда появляются атомы для сборки, почти неприличен.

Естественно, со склада, откуда их, наверно, доставляет экологически чистые электрокары. Подавляющая часть населения вообще слабо представляет, откуда что берется. Например, материалы, из которых сделаны различные промышленные товары, которые мы потребляем во все большем количестве.

Связь этих товаров с химической промышленностью не просматривается.

Химия как наука скучна и не очень нужна, а химическая промышленность как безусловно вредная для окружающей среды подлежит закрытию. Помимо всего прочего, химическая промышленность, по мнению большинства, хищнически расходует природные ресурсы, используя для своих процессов нефть, газ, минералы. А для новой технологии, как представляют ее приверженцы, нужны лишь атомы: вот в этом отсеке склада у нас хранятся атомы золота, в следующем – атомы железа, потом атомы натрия, атомы хлора, в общем, вся Периодическая система Менделеева. Вынуждены разочаровать авторов этой идиллической картины: атомы сами по себе, за исключением атомов инертных газов, существуют лишь в вакууме, во всех остальных условиях они вступают во взаимодействие с себе подобными или другими атомами, в химическое взаимодействие с образованием химических соединений. Такова природа вещей, и с этим ничего нельзя поделать.

Любая технология требует некоторых приспособлений, средств производства, которые также ускользают от внимания апологетов сборки объектов из атомов. Впрочем, иногда, наоборот, привлекают их внимание и потрясают до глубины души. Действительно, туннельные и силовые микроскопы – это красивейшие устройства, зримое свидетельство мощи человеческого разума. И в целом лаборатории, в которых занимаются манипулированием атомами, являют образ технологии будущего в духе «Третьей волны» Элвина Тоффлера: так называемые чистые комнаты с кондиционированием и специальной очисткой воздуха, устройства, исключающие малейшую вибрацию, оператор в специальной одежде с университетским дипломом в кармане.

Все это тоже будут безотходно собирать из атомов? Включая фундамент, стены и крышу помещений? Полагаем, что утвердительно ответить на этот вопрос не рискнут даже самые ярые приверженцы этой технологии.

Человечество когда-нибудь создаст безотходные, экологически чистые технологии, но они будут основаны на других принципах или на принципиально другой технике… Миф о нанороботах Предположим, что мы создали на бумаге или на экране компьютера эскиз наноустройства. Как бы его собрать, и желательно не в одном экземпляре?

Можно, следуя Фейнману, создать «крошечные станки, которые непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п.» и миниатюрные манипуляторы для сборки готового изделия. Эти манипуляторы должны управляться человеком, то есть иметь некую макроскопическую оснастку или, по крайней мере, действовать согласно заданной человеком программе.

Кроме того, необходимо как-то наблюдать за всем процессом, например, с помощью электронного микроскопа, также имеющего макроразмеры.

Альтернативную идею выдвинул в 1986 году американский инженер Эрик Дрекслер в футурологическом бестселлере «Машины созидания».

Выросший, как все люди его поколения, на книгах Айзека Азимова, он предложил использовать для производства наноустройств механические машины соответствующих (100-200 нм) размеров – нанороботы. Речь уже не шла о сверлении и штамповке, эти роботы должны были собирать устройство непосредственно из атомов, поэтому они были названы ассемблерами – сборщиками. Но подход оставался чисто механическим: сборщик был оснащен манипуляторами длинной в несколько десятков нанометров, двигателем для перемещения манипуляторов, включая упомянутые ранее редукторы и передачи, а также автономные источники энергии. На круг выходило, что наноробот должен состоять из нескольких десятков тысяч деталей, а каждая деталь – из одной-двух сотен атомов.

Проблема визуализации атомов и молекул как-то незаметно растворилась, казалось вполне естественным, что наноробот, оперирующий объектами сопоставимых с ним размеров, «видит» их, как человек видит гвоздь и молоток, которым он забивает этот гвоздь в стену.

Важнейшим узлом наноробота был, конечно, бортовой компьютер, который управлял работой всех механизмов, определял, какой атом или какую молекулу следовало захватить манипулятором и в какое место будущего устройства их поставить. Линейные размеры этого компьютера не должны были превышать 40-50 нм – это как раз размер одного транзистора, достигнутый промышленной технологией нашего времени, через 25 лет после написания Дрекслером книги «Машины созидания». Но ведь Дрекслер и адресовал свою книгу в будущее, в далекое будущее. На момент написания книги ученые еще не подтвердили даже принципиальную возможность манипулирования отдельными атомами, не говоря о сборке из них хоть каких-нибудь конструкций. Это случилось лишь через четыре года.

Устройство, использованное для этого впервые и используемое до сих пор – туннельный микроскоп,- имеет вполне осязаемые размеры, десятки сантиметров в каждом измерении, и управляется человеком с помощью мощного компьютера с миллиардами транзисторов.

Но мечта–идея о нанороботах, собирающих материалы и устройства из отдельных атомов, была настолько красивой и заманчивой, что это открытие лишь придало ей убедительности. Не прошло и нескольких лет, как в нее уверовали далекие от науки сенаторы США, журналисты, а с их подачи – общественность и, что совсем удивительно, сам автор, который продолжал отстаивать ее даже тогда, когда ему доходчиво объяснили, что идея нереализуема в принципе. Аргументов против таких механических устройств множество, приведем лишь самый простой, выдвинутый Ричардом Смолли:

манипулятор, «захвативший» атом, соединится с ним навеки вследствие химического взаимодействия. Смолли был лауреатом Нобелевской премии по химии, в этом, наверно, было дело.

Но идее продолжала жить своей жизнью и дожила до наших дней, заметно усложнившись и дополнившись различными приложениями.

Миф о медицинских нанороботах Наиболее популярен миф о миллионах нанороботов, которые будут шнырять по нашему организму, диагностировать состояние различных клеток и тканей, ремонтировать поломки с помощью наноскальпеля, рассекать и демонтировать раковые клетки, наращивать костную ткань сборкой из атомов, соскребать холестериновые бляшки с помощью нанолопатки, а в мозгу избирательно разрывать синапсы, ответственные за неприятные воспоминания. И еще докладывать о проделанной работе, передавая через наноантенну сообщения вроде: «Алекс – Юстасу. Выявлено повреждение митрального клапана. Поломка устранена». Именно последнее вызывает серьезную озабоченность общественности, ведь это разглашение частной информации – сообщение наноробота может быть получено и расшифровано не только врачом, но и посторонним. Эта обеспокоенность подтверждает, что во все остальное люди верят безоговорочно. Как и в нанороботов- шпионов, в «умную пыль», которая будет проникать в наши квартиры, наблюдать за нами, подслушивать наши разговоры и опять же передавать полученные видео- и аудиоматериалы посредством нанопередатчика с наноантеной. Или в нанороботв- убийц, поражающих людей и технику с помощью нанозарядов, возможно, даже ядерных.

Самое удивительное, что почти все описанное может быть создано (а что-то уже создано). И инвазивные диагностические системы, сообщающие о состоянии организма, и лекарственные средства, действующие на определенные клетки, и системы, очищающие наши сосуды от атеросклеротических бляшек, и наращивание костной ткани, и стирание воспоминаний, и невидимые системы дистанционного слежения, и «умная пыль». Однако все эти системы настоящего и будущего не имеют и не будут иметь никакого отношения к механическим нанороботам в духе Дрекслера, за исключением размера. Они будут созданы совместными усилиями физиков, химиков и биологов, ученых, работающих на ниве синтетической науки, называемой нанотехнологиями.

Миф о физическом методе синтеза веществ В своей лекции Ричард Фрейнман невольно выдал тайную вековечную мечту физиков: «И наконец, размышляя в этом направлении (возможности манипулирования атомами. – Г.Э.), мы доходим до проблем химического синтеза. Химики будут приходить к нам, физикам, с конкретными заказами:

«Слушай, друг, не сделаешь ли ты молекулу с таким-то и таким-то распределением атомов?» Сами химики используют для приготовления молекул сложные и даже таинственные операции и приемы. Обычно для синтеза намеченной молекулы им приходится довольно долго смешивать, взбалтывать и обрабатывать различные вещества. Как только физики создают устройство, способное оперировать отдельными атомами, вся эта деятельность станет ненужной….. Химики будут заказывать синтез, а физики – просто «укладывать» атомы в нужном порядке.

Химики не синтезируют молекулу, химики получают вещество.

Вещество, его получение и превращения – предмет химии, по сей день загадочный для физиков. Предположим, что нам каким-то образом удалось сложить кучку из восьми атомов – двух атомов углерода и шести атомов водорода изображенную на рисунке. Физику эта кучка представится, наверное, молекулой этана С2Н6, но химик укажет еще как минимум две возможности соединения атомов.

Пусть мы хотим получить этан методом сборки из атомов. Как это можно сделать? С чего начинать: сдвинуть два атома углерода или приставить атом водорода? Вопро на засыпку, в том числе, что ученые пока научились манипулировать атомами, во-первых, тяжелыми, а во-вторых, не очень реакционно-способным. Довольно сложные конструкции собраны из атомов ксенона, золота, железа. Как оперировать легкими и чрезвычайно активными атомами водорода, углерода, азота и кислорода, не совсем понятно. Так что с поатомной сборкой белков и нуклеиновых кислот, о которой некоторые авторы говорят как о деле практически решенном, придется повременить Нанобиотехнологии – растущая область, использующая наномасштабные явления и процессы, порождающая интригующие в малоизведанном пути развития биологии, физики, химии и медицины. В статье С.В.Козырева и П.П. Якуцени «Нанобиотехнологии – панорама направлений»

обсуждаются причины и формулируются определения, позволяющие представить нанобиотехнологии через объединение законов функционирования живого с достижениями технологий, а также предсказывается возможность стать направлением, реализующим отдельный долгосрочный тренд развития исследований и разработок.

Нанобиотехнологии – панорама направлений.

Зачастую считается, что нанобиотехнологии являются сектором нанотехнологий, прежде всего заимствующим способы функционирования или структуры живых систем. Отсюда для развития отрасли ставятся задачи использования биологических структур и процессов для получения новых материалов, биосенсоров, биоэлектронных устройств [1] или поатомной сборки наномашин с использованием биологических компонентов [2], что еще в 1999-2002 гг. в России и Евросоюзе было названо нанобионикой, а в США биомиметикой [3]. Другое направление исследований вытекает из потребностей медицинских приложений и осуществляет привнесение искусственных наноразмерных частиц, технических материалов и интерфейсов в мир биосистем, что подразумевают развитие новых методов инструментального исследования живых систем, диагностики и лечения заболеваний.

К сожалению, ведущим критерием отнесения работ к категории "нано" все еще остается размер рассматриваемых систем, способ их получения или просто конъюнктурные ссылки на присутствие биомолекул и междисциплинарность работ. В результате специфические границы сектора нанобиотехнологических разработок остаются излишне размытыми, возникают риски утери значимых, а может быть, даже уникальных направлений работ.

Обсуждаемая проблема во многом вытекает из смешения терминов "процесс" и "объект", а именно, двух наиболее ранних определений понятия нанотехнологии. Первое определение было совершенно оправданно, но касалось только принципов создания различных объектов, а не получаемых результатов. Его формулировка сводилась к возможности атомномолекулярной сборки (атом за атомом, молекула за молекулой), прежде всего по принципу "снизу вверх" (bottom up). Вскоре выяснилось, что при определенном малом размере некоторые получаемые материалы демонстрируют совершенно новые свойства. Появились понятия "нанокластер", "наночастица", "наномасштабный объект". Вместе с ними на основании эмпирических наблюдений сформировалось второе определение, устанавливающее, что нанотехнологии оперируют объектами, имеющими примерные характеристические размеры от 1 до 100 нм хотя бы в одном из пространственных измерений. При этом произошла невольная подмена понятий "процесс" и "объект". Ясно, что если сборка путем атомномолекулярного ассемблирования или дизассемблирования систем действительно нанопроцесс, то его результат вовсе не обязательно является нанообъектом. Вместе с тем, естественно, понятие нанопроцесс стало применяться для описания новых видов поведения систем, а не только методов их получения. Однако здесь уместно напомнить, что в интервал "наноразмеров" почти точно попадаетт.н. микромир хорошо известных молекул и молекулярных процессов, хорошо подчиняющихся правилам квантовой или молекулярной механики. Реальные размеры биологически активных веществ, белков и функциональных макромолекул лежат именно в обсуждаемом диапазоне. Это хорошо известно физикам, химикам, медикам и биологам, а тем более традиционным технологам и биотехнологам, использующим например, ферментативный катализ.

Сегодня в сфере развития нанотехнологий появился значительно более точный ответ на вопрос - что характеризует именно нанопроцесс или нанообъект? Однако этот ответ зависит от взгляда или направления деятельности исследователя. С точки зрения технологии получения или управления объектом, это по-прежнему манипулирование на атомном или молекулярном уровне. В плане функциональных свойств полученного объекта это, в первую очередь, появление особенностей и свойств, наличие которых начинается и заканчивается в интервале малых размеров и не объясняется законами квантового мира молекул или привычного нам макромира газов, жидкостей и твердых тел. То есть, прежде всего, выделяют появление и исчезновение необычного поведения систем, зависящее от изменений размера, но не его абсолютной величины. С точки зрения физики наносистем это: коллективные термодинамические явления, дискретно зависящие от числа взаимодействующих атомов и молекул; необычная роль флуктуаций, обеспечивающих отсутствие стабильных энергетических или фазовых состояний; преобладание поверхностных эффектов над объемными свойствами; процессы самосборки и самоорганизации сред, резко изменяющих физические или биологические свойства системы. С точки зрения нанобиотехнологий представляется актуальным:

Более четко определить границы рассматриваемого сектора исследований и разработок в целом;

Сформулировать первоочередные позиции, определяющие возможные перспективы развития и приложения нанобиотехнологий;

Оценить экологические риски, возникающие в связи с развитием сектора.

Нанобиотехнологии Обобщая принятые в официальных прави-тельственных документах США и ЕС определения, можно констатировать, что сегодня под нанотехнологиями понимают исследования и технологические разработки, осуществляемые на атомном, молекулярном, макромолекулярном уровне, обеспечивающем размеры от 1 до 1000 нм; устройства и системы, обладающие новыми свойствами и возможностью контролировать или манипулировать материей на атомном уровне [4]. Из соображений, высказанных во введении, можно констатировать, что приведенное определение фактически характеризует два различающихся направления деятельности -способы манипуляции объектом, с одной стороны, и свойства имеющегося объекта, с другой стороны.

Соответственно этому обстоятельству, под нанобиотехнологиями следует понимать:

1. Прямое или опосредованное манипулирование, осуществляемое на атомно-молекулярном уровне с целью изменения или управления свойствами биологических объектов вне зависимости от их размера и свойств;

2. Исследование или использование объектов, как правило, представляющих собой невалентно связанные атомные, атомномолекулярные ли молекулярные кластеры, включающие вещества живой природы или воздействующие на биосистемы при условии способности резко изменять свои биологические, физические или химические свойства при условии малого критического размера (примерно 1-100 нм) или состоящие из счетного числа (от десятка до тысяч) частиц.

Физика биологических наносистем С точки зрения физических явлений, протекающих в наносистемах, главным является их необычный характер. Выявление этого фактора может существенно изменить наши представления о поведении биологических молекул, как правило, организованных в сложные ансамбли взаимодействующих субъединиц. Сегодня мы рассматриваем организацию живого на следующих уровнях: молекулы, клеточные органеллы, клетки, ткани, органы, системы и организм, и, соответственно, развиваем такие новые отрасли знаний, как структурная, системная и синтетическая биология.

С появления термина "нано-" возникает ощущение, что в этой цепочке оказывается упущенным вопрос надмолекулярной организации биосистем, реально являющихся атомно-молекулярными кластерами, состоящими из неразрывно связанных ионов биометаллов, молекул воды, регуляторных молекул, липидов, белковых, углеводных, нуклеиновых макромолекул и их комбинаций, т.е. систем, как раз состоящих из десятков, сотен и тысяч молекул, организованных в ансамбли, часто имеющие наномасштабный размер. Коллективное поведение таких образований практически не изучено, что, с одной стороны, требует введения нового уровня рассмотрения организации живого, а именно выявления и рассмотрения функциональных нанобиосистем как нового элемента исследований. С другой стороны, многообещающа возможность взаимного обогащения теоретических оснований биологии и новейших достижений физики наносистем, появления таких новых направлений исследований, как биофизика наносистем и нанофизиология. Ведущей задачей этого направления работ должно стать формирование новых фундаментальных представлений об особенностях структурной организации и поведения наносистем, принципиальных отличиях физики биологических процессов, протекающих в наномасштабе.

Нанофармакология и медицина С точки зрения фармакологии практически неограниченный интерес представляют: резкие изменения всасывания и перераспределения биологически активных веществ, входящих в состав нанокомплексов или наночастиц; особые способы биотрансформации, резкие изменения количественной выраженности, а подчас и самого характера биологического действия.

Одним из главных направлений ведущихся исследований являются попытки создания наночастиц, включающих в свой состав молекулы лекарственных или других биологически активных веществ [5]. При этом, в первую очередь, ставятся задачи направленной доставки лекарств, создания новых противоопухолевых и антиоксидантных соединений [6-9]. Рассматриваются направления создания магнитноуправляемых наночастиц, обладающих термочувствительностью. Также обсуждаются вопросы создания бионаночастиц, включающих в свой состав белковые структуры, способные прикрепляться к заданным типам клеток в целях диагностики или коррекции возникающих патологий. Одновременно с синтезом и изучением физических, химических и биологических свойств нового состояния вещества наночастиц и поиска новых лекарственных форм ведутся работы, связанные с созданием активных, многофункциональных и интеллектуальных наноматериалов, предназначенных для трансплантации в человеческий организм, и, в частности, восстановления его поврежденных функций.

Вместе с тем представляется, что определение главной задачи нанофармакологии как создания наночастиц и нанокристаллов в качестве новых средств медицинской диагностики и терапии выглядит очень односторонним. Представляется, что это направление должно стать расширением молекулярной фармакологии, а именно, направлением, способным привести к новому уровню понимания сложных биологических процессов, определяющих механизмы транспорта и биологического действия уже имеющихся биологически активных веществ. В этой связи можно предсказать появление таких стартовых точек развития медицины и фармакологии, поиска принципиально отличающихся средств диагностики, профилактики и лечения заболеваний, как: ключевые наноансамбли известных биомолекул в качестве факторов всасывания, распределения, метаболизма, действия и выведения лекарственных средств; процессы перестроения нанобиосистем, обусловленные действием сигнальных (регуляторных) молекул низкомолекулярной или белковой природы;

экспериментальное и теоретическое моделирование биологических атомномолекулярных наносистем.

Дизайн гибридных нанобиоструктур Сегодня формируется новое сообщество специалистов, занятых развитием нанобиотехнологий - новейшего направления исследований и разработок, обещающих принципиально новый виток развития промышленности и медицины. В сложившейся ситуации возникает возможность вытеснения принятого интуитивного метода проб и ошибок способами направленного дизайна перспективных нанобиоинженерных решений, резко сокращающего стоимость и длительность цикла исследований и разработок, отвечающих наиболее актуальным потребностям этого высокотехнологического сектора.

Развиваются методы атомно-молекулярного моделирования гибридных наносистем и наночастиц, включающих молекулы органического и неорганического происхождения. Основным направлением применения этих методов является прогнозирование физических, химических и биологических свойств нанообъектов, собираемых атом за атомом, молекула за молекулой, совмещающих разнообразные молекулярные конструктивы элементов и направленное проектирование новых биологически активных веществ, наноматериалов и наноустройств, технического и медицинского назначения [10]. Получены существенные результаты в области создания новых форм и изучения регуляторной активности фуллеренов; обоснованы перспективы создания функционально полезных комплексов наноуглерода с молекулами белков и нуклеиновых кислот, липидами и жирными кислотами;

синтезированы новые углеродсодержащие покрытия технического и биотехнологического назначения; впервые определена возможность разработки фуллеренсодержащих материалов с управляемыми свойствами.

Рассмотрены возможности доставки фуллеренов и нанокластеров углерода в водные фазы, что открывает новые перспективы объединения искусственных водонерастворимых структур неживого с биосистемами, функционирующими в водной среде [11]. Ожидается, что предметами вычислительного моделирования должны стать: пассивные или реакционные наночастицы; активные или динамически изменяющиеся наноматерилы и наноустройства; интегрированные наносистемы наносистем; гетерогенные атомномолекулярные гибриды различной природы.

Нанориски В настоящее время правительственные органы технологически развитых стран исходят из того что новые наноматериалы и нанотехнологии могут иметь существенно отличающиеся токсикологические и экотоксикологические свойства, что определяет необходимость выявления и оценки связанных с ними экологических и биологических рисков. В первую очередь обсуждаются: опасность наночастиц, обусловленная чрезвычайно большим отношением площади их поверхности к объему; высокая реакционная способность наноструктур, способность их аккумуляции в окружающей среде и пищевых цепочках; возможности проникновения в печень, мозг, легкие и другие органы человека. Показаны факты связывания и переноса наночастицами некоторых особо опасных поллютантов.

Констатируется наличие разрыва между имеющимися и необходимыми методами испытания биологической опасности наноструктур. В связи с резко отличающимися свойствами наноструктур способы испытания биологической безопасности остаются малоопределенными. Совокупные мощности испытательных токсикологических центров Европы и США способны достаточно подробно исследовать лишь сотни из тысяч и десятков тысяч новых появляющихся материалов и веществ. Механизмы биологического, в частности, токсичного действия наноструктур мало изучены. При этом в структуре заболеваемости развитых стран, а возможно, и Российской Федерации фиксируются сдвиги в структуре заболеваемости населения. В первую очередь, рост атипичных форм вирусных и других инфекционных заболеваний, иммунных дисфункций, изменение структуры смертности за счет роста легочных и отдельных онкологических заболеваний. В зарубежной научной литературе это связывают с наночастицами, образующимися при сжигании дизельного топлива и бензина, как новым, ранее не известным фактором риска традиционных технологий.

В сложившейся ситуации для выявления биологических и экологических рисков нанотехнологий могут рассматриваться три основных направления.

Первое - создание экспериментальной базы, позволяющей осуществлять синтез, селекцию, наработку и испытания биологической опасности наностуктур методами высокопроизводительного зкспериментального скрининга, отработки технологий ведения и координации испытаний. Второе - предусматривает выявление опасных нанообъектов, возникающих в ходе использования традиционных технологий, как уже существующих, но не выявленных факторов риска. Возникают потребности изучения переноса, перераспределения и биологического действия выявляемых нанообъектов, накапливающихся в экологических средах, пищевых цепях, растениях, органах сельскохозяйственных животных и человека. Третье направление предусматривает создание теоретической базы, определяющей возможности предсказания потенциальной опасности нанообъектов. Предметами исследования должны стать как пассивные или реакционные наночастицы, так и новые получаемые наноматериалы, интегрированные наносистемы и гибридные атомно-молекулярные наносистемы различной природы.

Полученные результаты позволят осуществлять вычислительное моделирование критически важных биологических и физико-химических свойств рассматриваемых нанообъектов, обосновывать приоритеты и разрабатывать опережающие меры снижения экологических и биологических рисков развития нанотехнологий.

Комплексное развитие перечисленных экспериментальных и теоретических работ определит принципиальную возможность направленного прогнозирования спектра экологических и биологических опасностей и управления рисками, связанными с производством, использованием и утилизацией различных нанообъектов.

Заключение Нанобиотехнологии пытаются объединить свойства наномасштабных систем живого и искусственных атомно-молекулярных систем, созданных человеком. Для техники это означает использование уроков живой природы с целью создания новых материалов и молекулярных устройств, а именно, появление нанобионики. Для биологии и медицины - поиски ускоренного решения тех молекулярно-инженерных задач, с которыми/как кажется, еще не успела справиться биологическая эволюция. Эта быстро растущая и расширяющаяся область стремительно порождает интригующие и малоизведанные точки развития биологии, физики, химии и медицины, обещает вторую промышленную, а может быть, и биологическую революцию. Все чаще встречаются ключевые слова, наномашины и нанокатализаторы, нанотрубки и наноканалы, биознергетики и биокомпьютеры.

Представляется, что специфическая задача нанобиотехнологий связана с изучением функционирования биологических наносистем, практического объединения искусственных наноструктур с основными атомномолекулярными системами живого, осуществляемого в целях получения: новых способов и инструментов исследования био- и нанопроцессов, происходящих на уровне молекул и наномасштабных систем;

материалов и наноустройств технического назначения; биоматериалов, лекарств и новых принципов развития биологии и медицины;

модифицированных биосистем.

База тестовых и контрольных заданий к Модулю 2.2.

Задания к тексту «Мифы нанотехнологий»:

Найдите в тексте ответы на вопросы:

1. На какие два типа можно разделить все научные мифы?

2. Кого можно считать отцом-основателем нанотехнологий?

3. Является ли производство на основе нанотехнологий безотходным?

4. Почему невозможно создать нанороботов, какими их представлял себе Эрик Дрекслер?

5. Возможно ли появление «умной пыли»?

6. В чем заключается разница между химическим и физическим методами синтеза веществ?

7. Какой из методов синтеза веществ по мнению Эрлиха более перспективен?

8. Каким образом физический метод может быть сделан более производительным?

Вспомните, что вы знали о нанотехнологиях до того, как начали изучать их в школе? Напишите, что из этого оказалось мифом, а что Нанороботы «будут созданы совместными усилиями физиков, химиков, биологов, ученых. Работающих на ниве синтетической науки, называемой нанотехнологиями» - пишет Эрлих. Поясните, что в данном случае значит словосочетание «синтетическая наука»?

III. Согласно Эрлиху, вокруг нанотехнологий было специально создано несколько мифов. Которые помогли получить финансирование и дали толчок всей индустрии. «В сущности, это было небольшое шулерство, вполне допустимое правилами игры на высшем уровне.

Миф сыграл свою благотворную роль индикатора процесса и был благополучно забыт. Когда дело дошло собственно до технологий»

как вы думаете, допустимо ли использовать ложь для достижения благих целей? Можно ли обойтись без мифологизации нанотехнологий. Свое мнение изложите в небольшом эссе.

IV. Из прочитанных текстов вы должны были узнать, что термином «нанотехнологии» называется целый ряд технологий. По какой причине их относят к одной группе?

Задания к тексту «Нанобиотехнологии – панорама направлений»

1. Что такое нанобионика?

2. Уточните, адекватно ли отражена одна из ключевых мыслей введения в следующем тезисе»сборка путем атомно-молекулярного ассемблирования для дизассемблирования систем представляет собой нанопроцесс, а его результат становится нанообъектом» Объясните свою точку зрения. Обоснуйте - почему точность в этом вопросе является важной.

3. Дайте определение (выделите в тексте) нанобиотехнологий. Теперь попытайтесь определить это понятие так, чтобы вас поняли неспециалисты: шестиклассник, пожилой человек, далекий от науки.

Журналист, берущий у вас интервью для утреннего эфира.

4. Что такое нанобиосистемы и почему их интересно исследовать?

5. Авторы утверждают, что наибольший интерес представляет «в первую очередь появление особенностей и свойств, наличие которых начинается и заканчивается в интервале малых размеров и не объясняется законами квантового мира молекул или привычного нам макромира газов, жидкостей и твердых тел. То есть, прежде всего, выделяют появление и исчезновение необычного поведения систем, зависящее от изменения размера, но не его абсолютной величины.

Найдите в тексте примеры таких явлений и попытайтесь разъяснить их смысл, если необходимо, воспользуйтесь для уточнения возможностями других источников, например, используйте интернет.

6. Авторы полагают, что с точки зрения нанобиотехнологий представляется актуальным:

- более четко определить границы рассматриваемого сектора исследований и разработок в целом, - сформулировать первоочередные позиции, определяющие возможные перспективы развития и приложения нанобиотехнологий, оценить экологические риски, возникающие в связи с развитием сектора».

Есть ли у вас в настоящее время (после прочтения статьи. Изучения этой проблемы по дополнительным источникам) какие-то представления об этих задачах? Попытайтесь сформулировать вое понимание проблемы в виде кратких тезисов.

7. Постройте кластер, представляющий ответ на вопрос: каковы наиболее перспективные направления исследования и разработки в области нанобиотехнологий.

8. А теперь главный вопрос: вы бы хотели выбрать в качестве возможного профессионального призвания сферу нанобиотехнологий?

Тема 2. Инструментальные методы в нанотехнологиях: сканирующая зондовая микроскопия.

«Физические основы сканирующего зондового микроскопа»

Принцип работы:

Схема работы атомно-силового микроскопа Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).

Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:

Конец зонда должен иметь размеры сопоставимые с исследуемыми объектами.

Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра.

Создание прецизионной системы развёртки.

Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.

Особенности работы:

Схема работы сканирующего туннельного микроскопа Кантилевер атомно-силового микроскопа (СЭМ изображение, увеличение 1000) Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — для получения изображения используется туннельный ток между зондом и образцом, что позволяет получить информацию о топографии и электрических свойствах образца. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) — регистрирует различные силы между зондом и образцом. Позволяет получить топографию поверхности и её механические свойства. Сканирующий ближнепольный микроскоп (СБОМ) — для получения изображения используется эффект ближнего поля.

В настоящий момент, в большинстве исследовательских лабораторий сканирующая зондовая и электронная микроскопия используются как дополняющие друг друга методы исследования в силу ряда физических и технических особенностей.

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) сканирующий зондовый микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдо трёхмерное изображение поверхности образца, СЗМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, в общем случае сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение как проводящей, так и непроводящей поверхности, тогда как для изучения непроводящих объектов с помощью РЭМ необходимо металлизировать поверхность. Для работы с РЭМ необходим вакуум, в то время как большая часть режимов СЗМ предназначена для исследований на воздухе, вакууме и жидкости. Благодаря этому, с помощью СЗМ возможно изучать материалы и биологические объекты в нормальных для этих объектов условиях. Например, изучение биомакромолекул и их взаимодействий, живых клеток. В принципе, СЗМ способен дать более высокое разрешение чем РЭМ. Так было показано, что СЗМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума при отсутствии вибраций. Сверхвысоковакуумный СЗМ по разрешению сравним с просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку СЗМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У СЗМ максимальный перепад высот составляет несколько микрометров, как правило не более 25 мкм, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150150 микрометров. Другая проблема заключается в том, что качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда или его повреждении приводит к появлению артефактов на получаемом изображении. При этом подготовка образцов для СЗМ занимает меньше времени, чем для РЭМ.

Обычный СЗМ не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает РЭМ. Для получения СЗМ-изображения требуется от нескольких минут до нескольких часов, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Из-за низкой скорости развёртки СЗМ получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом, что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Для увеличения быстродействия СЗМ было предложено несколько конструкций,[4][5] среди которых можно выделить зондовый микроскоп, названный видеоАСМ.

ВидеоАСМ обеспечивает получение удовлетворительного качества изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что даже быстрее, чем на обычном РЭМ. Однако, применение ВидеоАСМ ограничено, так как он работает только в контактном режиме и на образцах с относительно небольшим перепадом высот. Для коррекции вносимых термодрейфом искажений было предложено несколько способов.[1][2][3] Нелинейность, гистерезис и ползучесть (крип) пьезокерамики сканера также являются причинами сильных искажения СЗМ-изображений. Кроме того, часть искажений возникает из-за взаимных паразитных связей, действующих между X, Y, Z-манипуляторами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные СЗМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые СЗМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей. Однако в определённых случаях, например, при совмещении с электронным микроскопом или ультрамикротомами конструктивно оправдано использование именно сканеров на пьезотрубках.

Обработка полученной информации и восстановление полученных изображений Пример СЗМ-скана: спорыаспергилла, выращенного на чайной культуре на стеклянной подложке Как правило, снятое на сканирующем зондовом микроскопе изображение трудно поддается расшифровке из-за присущих данному методу искажений.

Практически всегда результаты первоначального сканирования подвергаются математической обработке. Для этого используется программное обеспечение непосредственно поставляемое с СЗМ. Существует и программное обеспечение распространяемое поGNU лицензии. Например, Gwyddion К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Наряду с огромными плюсами, которые она имеет (например, возможность иметь в каждый момент информацию о всей поверхности, возможность реализации in-situ экспериментов), существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым относятся, в первую очередь, необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения (нет возможности исследовать жидкостные объекты), отсутствие возможности просмотра больших образцов, достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает В связи с этим, неоспоримым достижением стало открытие 1981 году (момент опубликования в Phys. Rev. Lett.) Генрихом Рорером и Гердом Биннигом метода сканирующей туннельной микроскопии, которая положила начало развитию сканирующей зондовой микроскопии.

Работая над микроскопическими исследованиями роста и электрических свойств тонких диэлектрических слоев в лаборатории IBM в Рюмликоне в Швейцарии, авторы думали использовать туннельную спектроскопию. В то время были известны работы Янга о полевом излучающем микроскопе, Томпсона по туннелированию в вакууме с управляемым остриём, так что мысль о способности измерения с помощью эффекта туннелирования не только поверхности, но и её рельефа, была основана на трудах немалого количества исследователей.

Необходимо было решить множество технических проблем: как избежать механических вибраций, приводящих к столкновению острия с поверхностью (мягкая подвеска), какие силы действуют между образцом и остриём (к созданию АСМ), как перемещать остриё с такой высокой точностью (пьезоэлектрик), как приводить образец и остриё в контакт (специальный держатель), как избежать тепловых флуктуаций (использование не нитевидных кристаллов с большими упругими константами, низкие темепературы), форма острия и её получение (на поверхности основного острия существуют миниострия - сначала использовались они, потом с помощью самого процесса туннелирования - сильное вакуумное электрическое поле при напряжении всего лишь несколько И вот когда авторы получили атомное изображение давно волновавшей всех поверхности кремния с периодом 7 на 7, - в 1986 году мир отметил их Нобелевской премией. Множество трудностей, которые усложняли исследование образцов в СТМ, побудили к году разработать их первый атомно-силовой микроскоп, который мог использовать те самые силы взаимодействия между образцом и остриём, которые так мешали в случае СТМ. Атомно-силовой микроскоп позволял проводить измерения не только в вакууме, но и в атмосфере, заранее заданном газе и даже сквозь плёнку жидкости, что стало несомненным успехом для развития биологической микроскопии. Так была положено начало эры сканирующей зондовой микроскопии. Вскоре была представлена микроскопия ближнего поля, которая задействовала оптические волны для разрешения объектов до Современная атомно-силовая микроскопия активно используется во всем мире для исследования как полимеров, так и любых других материалов. Очень широкое развитие она получила по исследованию вирусов, клеток, генов в биологии, - там с ней связывают большие надежды.

Преимущества и недостатки сканирующей зондовой микроскопии по отношению к другим методам диагностики поверхности Принципиальным свойством электронной, оптической, ядерной провзаимодействовавшая с образцом, будь то атом или субатомные объекты, является зондом. Однако, у данного метода есть свои минусы и плюсы. Так квантовый принцип неопределённости, гласящий, что определение одновременно импульса и координаты объекта исследования, возможно только с определённой точностью, заставляет увеличивать импульс регистрирующих частиц (энергию), что связано с созданием специальных технологий. Увеличение импульса регистрирующих частиц (например, электроны в ПЭМ достигают энергий до 1000 КэВ) создаёт проблемы с устойчивостью объекта к разрушению. Однако плюсом является тот факт, что одновременно получается информация сразу с относительно большого участка поверхности, что позволяет использовать данный метод для in-situ исследований. Так же главным недостатком данного вида микроскопии можно назвать условие относительного вакуума, для получения более Атомно-силовая микроскопия позволяет обрабатывать образцы в атмосфере, однако, главным её недостатком является отсутствие одновременной информации о всей поверхности, - в каждый момент времени мы имеем информацию только от участка непосредственно регистрируюемого зондом. Но несмотря на это АСМ позволяет использовать in-situ измерения. Атомно-силовая микроскопия позволяет получать информацию о поверхностном заряде, о поверхностной емкости, о поверхностной проводимости, о магнитных свойствах. Позволяет измерять эти параметры даже сквозь плёнку жидкости.

Кантилеверы разделяются на жёсткие и мягкие, - по длине балки, а характеризуется это резонансной частотой колебаний кантилевера.

Процесс сканирования микрозондом поверхности может происходить как в заранее заданном газе, так и в вакууме, и даже сквозь плёнку поверхности отклонение зонда (субангстремное разрешение) так и латеральное - одновременно.Для детектирования отклонения используется полупроводниковый лазер с длинной волны 670 нм и оптической мощностью 0,9 мВт. Лазерный луч направляется на обратную к по отношению к поверхности сторону кантилевера (на самый кончик), которая покрыта специальным алюминиевым зеркальным слоем для наилучшего отражения, и отраженный луч попадает в специальный четырёхсекционный фотодиод. Таким образом, отклонения кантилевера приводят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода, - изменение разностного сигнала с фотодиода и будет показывать амплитуду смещения кантилевера в ту или иную сторону. Такая система позволяет измерять отклонения лазера в угле 0,1", что соответствует отклонению кантилевера на Сканирование поверхности может происходить двумя способами, сканирование кантилевером и сканировение подложкой. Если в первом случае движения вдоль исследуемой поверхности совершает кантилевер, то во втором относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка. Для сохранения режима сканирования, кантилевер должен находиться вблизи поверхности, - в зависимости от режима, - будь то режим постоянной силы, или постоянной высоты, существует система, которая могла бы сохранять такой режим во время процесса сканирования. Для этого в электронную схему микроскопа входит специальная система обратной связи, которая связана с системой отклонения кантилевера от первоначального положения. Уровень связи (рабочая точка) кантилевер-подложка задается заранее, и система обратной связи отрабатывает так, чтобы этот уровень поддерживался постоянным независимо от рельефа поверхности, а сигнал, характеризующий величину отработки и является полезным сигналом детектирования.

Образец (поверхность) и кантилевер сближаются с помощью шагового двигателя до тех пор пока поверхность и кантилевер не начнут взаимодействовать, что приведёт к такому смещению лазерного луча на секциях фотодиода,а значит к такому разностному току, что прекратит сближение.

Кантилевер непосредственно четырёхобкладочной пьезотрубкой, подавая напряжение на противоположные обкладки, можно соответственно менять изгиб трубки, а значит и область сканирования кантилевера (горизонтальтное отклонение пьезотрубки) вдоль соответственно оси абсцисс и оси ординат. Внутри трубки находиться также пьезоэлемент, который отвечает за смещение кантилевера вдоль нормали к поверхности, то есть оси аппликат. При сканировании поверхности задается рабочая точка, физический смысл которой есть величина выдвижения пьезотрубки по отношению в максимальной амплитуде (обычно около 50 %). Обратная связь отрабатывает величину выдвижения пьезотрубки для поддержания режима (постоянной силы или постоянной высоты, в случае СТМ постоянного туннельного тока) сканирования. В случае сканирования подложкой такая система присоединена к подложке.

Существуют контактный, безконтактный и полуконтактный или резонансный режимы сканирования поверхности. Контактный метод заключается в том, что кантилевер непосредственно касается поверхности и повторяет её форму по мере прохождения поверхности.

Бесконтактный и полуконтактный режим характеризуются дополнительным условием сканирования, которое позволяет осуществить более щадящее и более тонкое сканирование поверхности. Кантилевер жестко связывается с отдельным пъезоэлементом и колеблется со своей резонансной частотой. При взаимодействии с поверхностью сбивается фаза, и специальный синхронный детектор старается выровнять частоту с помощью сигнала обратной связи. Таким образом, теперь детектируется кроме отклонения амплитудного также отклонение фазовое. В этом режиме кантилевер как бы постукивает по поверхности.

Для школ, в которых имеются СЗМ предлагаются две лабораторных работы: «АТОМНО-СИЛОВАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ

МИКРОСКОПИЯ» и «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ

ТЕЛ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ»

«АТОМНО-СИЛОВАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ

МИКРОСКОПИЯ»

Цель работы – изучение основ сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), конструкции и принципов работы сканирующего зондового микроскопа; получение первого СЗМ-изображения, его анализ и обработка в программе Scan Viewer.

Для детального исследования поверхности твердых тел существует много разнообразных методов. Микроскопия, как средство получения увеличенного изображения, зародилась еще XV в., когда впервые были изготовлены простые увеличительные стекла для изучения насекомых.

В конце XVII в. Антонио ван Левенгук изготовил оптический микроскоп, который позволял установить существование отдельных клеток, болезнетворных микробов и бактерий. Уже в XX в. были разработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков.

Во всех описанных методах применяется следующий принцип:

освещение исследуемого объекта потоком частиц и его последующее преобразование. В сканирующей зондовой микроскопии использован другой принцип – вместо зондирующих частиц в ней используется механический зонд, игла. Образно выражаясь, можно сказать, что, если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ – ощупывается.

Другим важным принципом, отраженным в названии метода СЗМ, является принцип сканирования, т.е. получение не усредненной информации об объекте исследования, а дискретное (от точки к точке, от линии к линии) перемещение зонда и считывание информации в каждой точке.

Двумя основными методами зондовой микроскопии являются СТМ (сканирующая туннельная микроскопия) и АСМ (атомно-силовая микроскопия).

Принцип действия АСМ основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В атомносиловом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею сканирующее остриё. При приближении зонда к образцу он сначала притягивается к поверхности благодаря наличию наиболее дальнодействующих сил Ван-дер-Ваальса.

Если на поверхности образца имеется адсорбированный слой (рис.

41-1), то при соприкосновении зонда с его поверхностью возникает притяжение за счет капиллярных сил. Притягивающие силы могут быть обусловлены так же электростатическим взаимодействием.

При дальнейшем уменьшении расстояния возникают силы отталкивания. Когда расстояние между зондом и образцом станет меньше среднего межатомного расстояния, то начнется перекрытие электронных оболочек ближайших атомов, в результате чего электроны первого атома стремятся частично занять состояния второго. В результате действия принципа запрета Паули они вынуждены занимать состояния с более высокой энергией. Увеличение энергии системы двух взаимодействующих атомов приводит к появлению отталкивающей силы.

При еще большем сближении атомов доминирующей становится кулоновская сила отталкивания ядер. В общем виде зависимость силы межатомного взаимодействия F от расстояния между атомами R имеет вид Константы a и b, а также показатели степени m и n зависят от сорта атомов и типа химических связей. Для притягивающих сил Ван-дер-Ваальса В зависимости от знака силы, действующей между зондом и образцом, различают контактный, неконтактный и прерывистоконтактный («полуконтактный») способы проведения силовой микроскопии. Использование контактного способа предполагает, что зонд упирается в образец и находится в области действия сил отталкивания. При использование неконтактного способа зонд удален от поверхности и находится в области действия дальнодействующих притягивающих сил. В «полуконтактном» режиме зонд частично касается поверхности, находясь попеременно как в области притяжения, так и в области отталкивания.

Перечисленные способы измерений обладают определенными достоинствами и недостаткам. Контактный способ измерений наиболее удобен с точки зрения детектирования силового взаимодействия, т.к. величины сил отталкивания в области контакта могут значительно превышать величины сил притяжения. Однако при его использовании существует опасность возникновения нарушений структуры поверхности образца и быстрого износа или даже поломки зонда. При бесконтактном способе измерений разрушение образца отсутствует, однако малы измеряемые сигналы. Поэтому наиболее часто для визуализации различных свойств поверхности в силовой микроскопии используется «полуконтактный» способ детектирования взаимодействия. При этом вследствие кратковременности контакта воздействие зонда на поверхность минимально, а измеряемые сигналы достаточны для их надежного детектирования. Дополнительным преимуществом «полуконтактного» способа является отсутствие сдвиговой составляющей силы воздействия на исследуемую поверхность, что существенно уменьшает искажения получаемых изображений.

Традиционным датчиком силового взаимодействия является упругая микробалка-консоль или кантилевер (от англ. cantilever – консоль).

Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли V- или I-образной формы, фотографии которых представлены на рис. 41-3, изготавливаются, в основном, из тонких слоев легированного кремния, SiO2 или Si3N 4. Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании – держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы. Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 1 50 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления.

В контактном режиме работы взаимодействие зонда и образца осуществляется в области действия сил отталкивания. Обычно в контактном режиме используются тонкопленочные V-образные кантилеверы из Si3N 4 с пирамидальными зондами. Кантилеверы характеризуются коэффициентом упругости k=0.03 1 Н/м. Сила F, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу кантилевера x, соотношение между которыми определяется законом Гука: F kx.

Величина изгиба регистрируется, как правило, с помощью оптической системы, состоящей из полупроводникового лазера и четырехсекционного (квадрантного) фотодиода (рис. 41-4).

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение лазера фокусировалось на конце кантилевера, а отраженный луч попадал в центр фотодетектора. При изгибе кантилевера под действием контактных сил отраженный от него луч лазера смещается относительно центра фотодетектора. Таким образом, отклонение кантилевера может быть определено по относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора.

Пьезоэлектрический двигатель. Сканеры Для контролируемого перемещения иглы на сверхмалых расстояниях в СЗМ используются пьезоэлектрические двигатели. Их задача – обеспечить прецизионное механическое сканирование зондом исследуемого образца путем перемещения зонда относительно неподвижного образца или перемещения образца относительно неподвижного зонда. Конструкции из пьезокерамик, обеспечивающие перемещение по трем координатам x, y (в латеральной плоскости образца) и z (по вертикали), называются «сканерами». Существует несколько типов сканеров, наиболее распространенными из которых являются треногий и трубчатый (рис. 41-5).

В треногом сканере перемещения по трем координатам обеспечивают расположенные в ортогональную структуру три независимые пьезокерамики.

Рис. 41-5. Основные конструкции сканеров: а) – Трубчатые сканеры работают посредством изгиба полой пьезоэлектрической трубки в латеральной плоскости и удлинения или сжатия трубки по оси Z. Электроды, управляющие перемещениями трубки в X и Y направлениях, размещаются в виде четырех сегментов по наружной поверхности трубки (рис. 41-5б). Для изгиба трубки в направлении X, на +X керамику подается напряжение для удлинения одной из ее сторон. Тот же самый принцип используется для задания движения в направлении Y. Смещения в X и Y направлениях пропорциональны приложенному напряжению и квадрату длины трубки. Движение в Z направлении генерируется подачей напряжения на электрод в центре трубки. Это приводит к удлинению всей трубки пропорционально ее длине и приложенному напряжению.

Процесс сканирования поверхности в СЗМ (рис. 41-6) имеет сходство с движением электронного луча по экрану в электроннолучевой трубке телевизора. Зонд движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием пилообразных напряжений, подаваемых с генератора развертки (обычно, цифро-аналогового преобразователя). Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе.

К числу основных параметров, выбираемых перед началом сканирования, относятся следующие:

- размер скана;

- число точек на линии N X и линий в скане N Y, определяющие шаг сканирования ;

- скорость сканирования.

Параметры сканирования выбираются исходя из предварительных данных (размера характерных поверхностных особенностей), которые имеются у исследователя об объекте исследования.

При выборе размера скана необходимо получить наиболее полную информацию о поверхности образца, т.е. отобразить наиболее характерные особенности его поверхности. Например, при сканировании дифракционной решетки с периодом 3 мкм необходимо отобразить хотя бы несколько периодов, т.е. размер скана должен составлять 10 15 мкм. В случае если расположение особенностей на поверхности исследуемого объекта неоднородно, то для достоверной оценки необходимо провести сканирование в нескольких отстоящих друг от друга точках на поверхности образца. При отсутствии информации об объекте исследования сначала, как правило, проводят сканирование в области, близкой к максимально доступной для отображения, с целью получения обзорной информации о характере поверхности. Выбор размера скана при повторном сканировании осуществляют исходя из данных, полученных на обзорном скане.

Число точек сканирования ( N X, N Y ) выбирается таким образом, чтобы шаг сканирования (расстояние между точками, в которых производится считывание информации о поверхности) был меньше характерных ее особенностей, иначе произойдет потеря части информации, заключенной между точками сканирования. С другой стороны, выбор излишнего количества точек сканирования приведет к увеличению времени получения скана.

Скорость сканирования определяет скорость движения зонда между точками, в которых производится считывание информации.

Излишне большая скорость может привести к тому, что система обратной связи не будет успевать отводить зонд от поверхности, что приведет к неправильному воспроизведению вертикальных размеров, а так же к повреждению зонда и поверхности образца.

Малая скорость сканирования приведет к увеличению времени получения скана.

Изображения поверхности, получаемые с помощью зондовых микроскопов, как правило, имеют общий наклон. Это может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, наклон может появляться вследствие неточной установки образца относительно зонда или неплоскопараллельности образца; во-вторых, он может быть связан с температурным дрейфом, который приводит к смещению зонда относительно образца; в-третьих, он может быть обусловлен нелинейностью перемещений пьезосканера. На отображение наклона тратится большой объем полезного пространства в СЗМ кадре, так что становятся не видны мелкие детали изображения. Для устранения данного недостатка производят операцию вычитания постоянного наклона (левелинга) (рис. 41-7).

Рис. 41-7. Устранение постоянного наклона из СЗМизображения Помимо этого характерным искажением СЗМ изображений является наличие горизонтальных полос, которые могут быть удалены с помощью медианных фильтров, работающих путем выравнивания средних значений элементов в каждой строке изображения. Это связано с тем, что изображения в СЗМ эксперименте обычно получаются путем построчного сканирования, и время между измерениями в соседних точках одной строки существенно меньше времени между измерениями соседних точек в направлении, перпендикулярном направлению сканирования.

Для анализа и обработки изображения, полученного методом атомно-силовой микроскопии, используется программа Scan Vie-wer, которая автоматически включается в ходе с работы с программой Nanoeducator. Главное окно программы Scan Viewer представлено на рис. 41-8.

Файл СЗМ-данных состоит из одного или нескольких так называемых фреймов. Каждый фрейм является элементарным фрагментом данных, который соответствует СЗМ изображению.

Рис. 41-8. Главное окно программы Scan Viewer В области анализа одновременно может отображаться до четырех фреймов, переключение между соответствующими режимами выполняется с помощью кнопок, представленных в табл.

41.1.

Таблица 41. В левой части окна программы расположена панель инструментов, описание которой приведено в табл. 41.2.

Таблица 41.2.

Внешний Выполняемое или требуемое действие кнопки Измерить расстояние между точками Выделить область прямоугольной Трехмерное представление данных Сохранить изображение фрейма в виде графического файла (по умолчанию *.tiff) Открыть окно «Инспектор просмотра»

Открыть окно экспорта активного Все методы обработки и анализа реализованные в программе Scan Viewer разделены на группы, которые объединяют родственные методы. Список групп и входящих в них методов содержится в двухуровневом дереве методов: первый уровень – названия групп методов, второй уровень – названия методов входящих в группы.

Список групп приведен ниже:

- сглаживающие фильтры, - градиентные фильтры, - фильтры резкости, - нелинейные фильтры, - преобразования изображений, - сечение, - статистика, - вычитание поверхностей, - Фурье анализ.

Сглаживающие фильтры Данная группа содержит следующие методы.

Сглаживающие фильтры (сглаживание 33 2.0, сглаживание 1.73, сглаживание 33 1.41): применяются для удаления с изображения высокочастотных шумовых всплесков.

Однородные фильтры (однородный 33, однородный 55):

результирующее изображение получается в результате простого усреднения по некоторой локальной области, размеры которой 33 или 55 точек соответственно.

Гауссовы фильтры (гауссов 1.0, гауссов 0.625, гауссов 0.85, гауссов 0.391): является фильтром низких частот.

Градиентные фильтры Методы этой группы используются для выделения границ объектов, для подчеркивания и усиления локальных неоднородностей, посредством выделения их границ.

Вертикальный фильтр Прюитта выделяет границы объектов, расположенные в вертикальном направлении. Результат применения данного фильтра показан на рис. 41-9.

Горизонтальный фильтр Прюитта выделяет границы объектов, расположенные в горизонтальном направлении. На рис. 41-10 показан результат применения данного фильтра.

Горизонтальный и Вертикальный фильтры Собеля являются модификацией аналогичных фильтров Прюитта, но в меньшей степени сглаживают изображение.

Фильтры резкости Данные фильтры усиливают разницу между соседними точками изображения, используются для повышения общей визуальной четкости изображения, для выделения границ областей и объектов с различной высотой). Имеются следующие разновидности фильтров данной группы Фильтры Лапласа (Лаплас 33 и 55) – усиливают различие между каждыми третьими и пятыми точками соответственно.

Высокочастотные фильтры (Высокочастотный 33 и 55) – тождественные названия фильтров Лапласа 33 и соответственно.

Результат применения данных фильтров представлен на рис. 42-3, на котором слева показано исходное изображение бактерии E-coil, а справа – изображение той же бактерии после применения фильтра «Высокочастотный 55».

Нелинейные (или медианные) фильтры Фильтры данной группы являются сглаживающими фильтрами, которые хорошо убирают шумы импульсного характера, например, шумы в виде «отдельных точек», и в то же время, сохраняют резкость границ. К ним относятся Медианный 77;

Медианный 55;

Медианный 33;

Медианный авто.

Результат использования фильтра «Медианный 55»

представлен на рис. 42-4, на котором слева показано исходное СЗМ изображение, а справа – то же изображение после применения фильтра «Медианный 55».

Построение сечения Методы этой группы позволяют выполнять следующие действия и построения.

Простое сечение – перед применением отмечается отрезок с помощью кнопки «Линейка» (табл. 41.1). Сечение выполняется по отмеченному отрезку, результат использования данного метода показан слева на рис. 41-12.

Сечение с усреднением – перед применением выделяется фрагмент изображения, а его сечение осуществляется слева направо и усредняется по выбранному количеству линий, равномерно расположенных внутри. На рис. 41-12 справа представлен результат использования данного метода с коэффициентом усреднения 20.

Анализ сечений – при использовании этого метода открывает окно, в котором выполняется работа с сечениями.

Вычитание полиномов и поверхностей При использовании методов данной группы происходит преобразование поверхности, предназначенное для ее «выравнивания», в частности, для устранения наклона и искажений более высокого порядка.

Общая конструкция сканирующего зондового микроскопа СЗМ состоит из следующих основных компонентов (рис. 41-14): 1 – зонд; 2 – образец; 3 – пьезоэлектрические двигатели x, y, z для прецизионного перемещения зонда над поверхностью исследуемого образца; 4 – генератор развертки, подающий напряжения на пьезодрайверы x и y, обеспечивающие сканирование зонда в горизонтальной плоскости; 5 – электронный датчик, детектирующий величину локального взаимодействия между зондом и образцом; 6 – компаратор, сравнивающий текущий сигнал в цепи датчика V(t) с изначально заданным VS, и, при его отклонении, вырабатывающий корректирующий сигнал Vfb; 7 – электронная цепь обратной связи, управляющая положением зонда по оси z; 8 – компьютер, управляющий процессом сканирования и получением изображения (9).

Конструкция СЗМ NanoEducator На рис. 41-15 представлен внешний вид и конструкция измерительной головки СЗМ NanoEducator и обозначены основные элементы прибора, используемые при работе. На основании расположены сканер 7 с держателем образца 6 и механизм подвода на основе шагового двигателя. Подвод зонда 5, закрепленного на датчике взаимодействия 4, к образцу можно также осуществлять с помощью винта ручного подвода 3. Предварительный выбор места исследования на образце осуществляется с помощью винтов 6.

Эксперимент и обработка результатов выполняются с помощью компьютера в виде последовательных заданий. Графические изображения кнопок на экране монитора, которые необходимо использовать для выполнения того или иного действия, указанного в заданиях, представлены в конце данного раздела в табл. 41.3.

ВНИМАНИЕ! Запрещается поднимать защитную крышку с видеокамерой (элемент 7 на рис. 41-15) на протяжении ВСЕЙ лабораторной работы!

Задание 1.

Подготовка микроскопа к эксперименту 1. Вызвать на экран компьютера программу Nanoeducator, а затем камеру рядом с иконкой Nanoeducator 2. Открыть окно «Подготовка к сканированию» соответствующей кнопкой на панели основных операций и выбрать параметры:

Выбор контроллера: НаноЭдьюкатор Выбор режима: АСМ Сервер анализа: Imaс-sergej-antonenko.local Задание 2.

Построение резонансной кривой и установка рабочей частоты 1. Открыть окно «Резонанс» кнопкой (табл. 41.3) на панели основных операций главного окна программы.

2. Установите флажок «Настройки». В результате справа от окна программы откроется панель параметров поиска резонанса.

3. Убедитесь, что флажок «точно» сброшен.

4. Нажмите кнопку «Старт» для грубого поиска резонанса. В результате будет измерена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) зонда и приблизительно установлена резонансная частота.

5. Убедитесь, что резонансная кривая симметрична и максимум не менее 2 В. Если резонансный пик имеет искаженную форму, или амплитуда колебаний зонда на частоте резонанса мала (менее 2 В), измените параметры «Амплитуда колебаний» и «Усиление амплитуды», после чего повторно проведите определение резонансной частоты.

6. Установите флажок «точно». Щелкните на кнопке «Старт» для точного поиска резонанса. В результате в области максимума, найденного при грубом поиске, будет измерена АЧХ зонда и рабочая частота генератора (параметр «Частота») будет установлена равной резонансной частоте зонда.

Задание 3.

Захват взаимодействия 1. Открыть окно «Подвод» кнопкой (табл. 41.3) на панели основных операций главного окна программы.

2. Окно «Подвод» содержит элементы управления подводом зонда, а также индикации параметров, которые позволяют анализировать ход выполнения процедуры. В этом окне есть возможность наблюдать за следующими величинами.

- Вытянутость сканера (индикатор «Сканер») по оси Z относительно максимально возможной, принятой за единицу.

Величина относительного удлинения сканера характеризуется уровнем заполнения левого индикатора цветом, соответствующим зоне, в которой находится сканер в текущий момент: зеленый цвет – рабочая зона, красный – вне рабочей зоны, желтый - переходная зона. Если индикатор красного цвета и сканер втянут, это означает, что сканер подошел слишком близко к поверхности образца, что может повлечь деформацию зонда. Если индикатор красного цвета и сканер вытянут, это означает отсутствие контакта с поверхностью.

- Амплитуда колебаний зонда (индикатор «Амплитуда») относительно амплитуды его колебаний в отсутствии силового взаимодействия, принятой за единицу. Величина относительной амплитуды колебаний зонда показана на правом индикаторе уровнем его заполнения зеленым цветом.

- Количество шагов («Шаги»), пройденных в заданном направлении.

Чтобы подвести зонд к образцу, нажмите соответствующую кнопку (табл. 41.3). В результате замкнется цепь обратной связи, и Z-сканер выдвинется на максимальную длину, что отобразится на индикаторе Z Сканер;

- включится шаговый двигатель, выполняющий подвод образца к зонду;

- индикатор «Шаги» начнет отсчитывать пройденные шаги.

Если индикатор «Z Сканер» остается желтым, то следует установить флажок «Настройки» и нажать на стрелку «вниз».

Нажимать до тех пор, пока индикатор «Z Сканер» не станет зеленым.

По окончании подвода индикатор «Z Сканер» займет промежуточное положение, что соответствует середине полного диапазона удлинения сканера.

Для вывода зонда из области взаимодействия и увеличения расстояния между зондом и образцом используется кнопка, приведенная в табл. 41.3. Зонд отводится от образца на расстояние, заданное в поле «Шаги».

Задание 4.

Сканирование и обработка изображения ВНИМАНИЕ! Перед сканированием следует закрыть окна «Резонанс»

и «Подвод»!

1. В главном окне программы нажмите кнопку «Сканирование».

2. В режиме сканирования необходимо установить параметры сканирования, которые сгруппированы на панели сканирования, открывающейся кнопкой (табл. 41.3) в правой части окна программы.

Рекомендуемые параметры:

Размер: Скорость: 2.52 Усиление Рабочая точка:

3. Запуск сканирования осуществляется соответствующей кнопкой (табл. 41.3) в главном окне программы. В результате начнется построчное сканирование поверхности образца и в области измерений, строчка за строчкой, будет появляться изображение сканируемой поверхности.