Модификация микроскопа для нанотрубок

07.01.2018

Новый метод атомно-силовой микроскопии позволяет изучать пептидные нанотрубки, не повреждая их.

Атомно-силовой микроскоп. (Фото пресс-службы ИТМО.)

Нанотрубка, иначе тубулярная наноструктура; нанотубулен (англ. nanotube) — топологическая форма наночастиц в виде полого наностержня.

Типы углеродных нанотрубок
Типы углеродных нанотрубок

Для нанотрубок есть много приложений: материалы на их основе могут пригодиться в абсолютно разныхсферах деятельности, от медицины до электроники. Но чтобы получить материл с нужными характеристиками, нужно точно знать свойства нанотрубок, их внешний вид, размеры и пр.

Их изучают с помощью атомно-силовой микроскопии, которая отличается от прочих видов микроскопии тем, что атомно-силовой микроскоп в прямом смысле ощупывает образец: специальный зонд сканирует поверхность образца, реагируя на впадины и возвышенности, и в результате мы видим трехмерный рельеф; кроме того, микроскоп также отслеживает электромеханические свойства объекта.

Однако, хотя зонд представляет собой иглу с размером кончика всего в несколько тысячных долей микрона, он все равно может сильно повредить хрупкие нанотрубки, особенно если они не закреплены на подложке. Чтобы этого избежать, исследователи из Университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), МФТИ вместе с коллегами из Университета Авейру в Португалии и компании NT-MDT Spectrum Instruments модифицировали методтаким способом , чтобы во время сканирования зонд перемещался к следующей точке измерения непосредственно над образцом, а не скользил прямо по его поверхности. После каждого измерения иголка отводится от поверхности, образец немного смещается, и иголка опускается уже к новой точке. То есть, как говорит Арсений Калинин, сотрудник отдела разработок NT-MDT Spectrum Instruments, при измерении «...мы не царапаем поверхность, а аккуратно прощупываем сверху, и мелкие незафиксированные объекты остаются целыми. Для этого, кроме алгоритмов измерения, мы разработали высокоскоростную электронику, которая постоянно в реальном времени обрабатывает сигнал взаимодействия иглы с поверхностью». Грубо говоря образец исследуется точечно.

Новый вариант микроскопии опробовали на коротких пептидных трубках. Исследователи одновременно измерили их упругость и описали, как они ведут себя в электрическом поле. В результате удалось изучить механические свойства нанотрубок и выявить у них спонтанную поляризацию, или сдвиг положительных и отрицательных зарядов относительно друг друга вне электрического поля. Кроме того, авторы работы впервые напрямую измерили пьезоэлектрический отклик, который указывает на то, как объект изменяет размеры под действием электрического поля. По словам Арсения Калинина, «обычно пьезоэлектрические свойства и упругость измеряют по отдельности. Новым методом то и другое можно измерить одновременно, не разрушая сам объект». За счет спонтанной поляризации пептидные нанотрубки можно использовать в компактных охлаждающих устройствах, что, естественно, наводит на мысль о компьютерах. Чтобы вычислительная машина работала быстрее, ее нужно охлаждать, и для этого, как говорит Александр Целев, соруководитель международной лаборатории «Материалы и структуры для электро- и магнитокалорических преобразователей энергии» Университета ИТМО, можно использовать компактные устройства, работающие по тому же принципу, что и обычный холодильник. И такие устройства могут быть довольно маленькими, если делать их из пептидных нанотрубок.