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低頻隔振技術(shù)穩(wěn)定了STM在納米材料領(lǐng)域的研究
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普渡大學化學系Claridge研究組選擇負剛度隔振技術(shù)為其納米級研究提供穩(wěn)定性，該研究采用掃描隧道顯微鏡（STM）進行。STM結(jié)合了微波頻率偏置調(diào)制，用于從蛋白質(zhì)和其他復雜分子中提取結(jié)構(gòu)信息，以優(yōu)化納米材料的性能并更好地理解膜蛋白結(jié)構(gòu)。 在納米尺度上對分子、材料和界面進行成像是納米科學面臨的一個挑戰(zhàn)。在這些尺度上精確控制和表征界面結(jié)構(gòu)可能非常困難。有機-無機界面是決定納米材料光電性能和納米器件性能的關(guān)鍵因素，也是決定跨膜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。此外，層狀材料通常需要采用非共價功能化策略，這使得界面的詳細化學表征變得更加復雜。 Claridge研究小組 普渡大學化學系Claridge研究小組一直致力于研究和開發(fā)新的集成成像策略，以探索納米尺度上界面有序復雜性和結(jié)構(gòu)分析的極限，解決從優(yōu)化納米材料性能到理解膜蛋白結(jié)構(gòu)等多方面的挑戰(zhàn)。 該研究團隊使用了多種納米尺度的分析技術(shù)，這些技術(shù)不僅在實驗室內(nèi)部使用，也在部門的分析儀器中心以及普渡大學的Birck納米技術(shù)中心進行。這些技術(shù)包括掃描探針顯微術(shù)（如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡）、先進的表面分析方法（如偏振調(diào)制紅外反射吸收光譜）以及大規(guī)模分子建模。 利用這些儀器技術(shù)，該研究小組的研究集中在關(guān)鍵的納米結(jié)構(gòu)上，包括： a) 在5–10nm尺度上對表面化學進行圖案化處理——以實現(xiàn)與細胞膜的精確可控相互作用、提高有機光伏器件中激子的有效分離效率，以及構(gòu)建分子電路，使其功能復雜性能夠媲美生物學系統(tǒng)。 b) 開發(fā)定制的納米尺度表面分析儀器——以實現(xiàn)分子尺度上的化學成像和表征在親水-疏水平衡界面上發(fā)生的動態(tài)過程，這些界面與納米材料和生物學相關(guān)。 c) 生物分析技術(shù)的非傳統(tǒng)應用——包括表征納米尺度上的各向異性潤濕現(xiàn)象，這些現(xiàn)象類似于生物系統(tǒng)中的水和離子傳輸過程。 d) 將分子建模與先進的界面表征技術(shù)相結(jié)合——開發(fā)對非共價組裝界面的詳細預測性理解，特別是那些由具有重要技術(shù)應用的層狀材料（如石墨烯）組成的界面。 圖1 在高度取向熱解石墨（HOPG）上成像的二炔磷脂醇胺兩親分子（dPE） 成像肽內(nèi)的納米級生物單層和雙層結(jié)構(gòu) Claridge研究小組還開展了關(guān)于新型可聚合兩親分子（如肽和其他分子）的合成研究，這些分子對層狀材料的非共價功能化非常有用。 兩親分子是具有親水性和疏水性兩種性質(zhì)的化學化合物，是化學和生物化學多個研究領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。肽類兩親分子是以肽為基礎(chǔ)的分子，能夠自組裝成高長寬比的納米纖維，并且可以組合成各種超分子結(jié)構(gòu)。 “我們小組使用掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）來成像小的生物單層和雙層結(jié)構(gòu)，通常是在肽內(nèi)，肽是構(gòu)成蛋白質(zhì)的核心組件，” Claridge研究小組的大衛(wèi)·G·麥克米倫說。“這些結(jié)構(gòu)尚未被充分理解。我們試圖更好地了解這些結(jié)構(gòu)的實際化學組成和行為，在大約7到14nm的尺度上，這些物質(zhì)很難結(jié)晶，因此很難獲得它們的晶體學數(shù)據(jù)，而晶體學數(shù)據(jù)通常是用于表征如此小尺度結(jié)構(gòu)的主要方法�！� “我們小組的一個主要研究方向是設計定制的掃描探針儀器，以在亞納米尺度上提供單分子內(nèi)的結(jié)構(gòu)分辨率，”麥克米倫補充道�！斑@尤其適用于我們自制的STM。通過在隧道結(jié)處引入偏壓調(diào)制和其他定制模式，我們可以從與分子電子學和人類健康相關(guān)的蛋白質(zhì)和其他復雜分子中提取結(jié)構(gòu)信息。” 掃描隧道顯微鏡（STM） 掃描隧道顯微鏡基于量子隧穿的概念。當導電的探針非常接近被檢測的表面時，施加在兩者之間的偏壓（電壓差）可以使電子通過它們之間的真空隧穿。隧穿電流取決于探針的位置、施加的電壓以及樣品的局部態(tài)密度。 通過監(jiān)測探針在表面上掃描時的電流變化來獲取信息，并通常以圖像形式顯示。STM是一項具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，因為它要求極其干凈和穩(wěn)定的表面、尖銳的探針、復雜的電子設備以及出色的振動控制。 對于STM而言， 0.1nm的橫向分辨率和0.01nm的深度分辨率被認為是良好的分辨率。憑借這種分辨率，材料中的單個原子可以被常規(guī)地成像和操控。STM不僅可以在超高真空中使用，還可以在空氣、水和其他各種液體或氣體環(huán)境中使用，并且可以在從接近零開爾文到幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作。 圖2 Agilent Pico 5500原子力顯微鏡在Minus K BM-10隔振臺上掃描4微米 “ 掃描隧道顯微鏡通過精確控制一個原子級尖銳的金屬探針在樣品上掃描，保持探針與樣品之間1nm的距離，提供原子或分子級別的分辨率成像，”麥克米倫繼續(xù)說道�！胺答伝�10皮安（pA）的隧穿電子電流，即使探針與樣品之間的距離變化僅為0.1nm，也會導致隧穿電流的顯著變化。因此，盡管儀器設計旨在最大化剛性并最小化熱漂移，但減少振動、聲學噪聲和電氣噪聲以及熱漂移都是至關(guān)重要的�！� “振動和低頻聲學噪聲尤其關(guān)鍵，因為測量信號——即探針在表面上掃描過分子時探針高度的變化——包含頻率范圍為10至400Hz的成分�！丙溈嗣讉惤忉尩馈� 振動對STM成像的影響 要實現(xiàn)這些小型生物單層和雙層結(jié)構(gòu)的化學組成和行為的納米級成像，要求STM必須放置在一個超穩(wěn)定的操作環(huán)境中，該環(huán)境應避免周圍低頻振動的干擾。 “我們的實驗室位于一棟鋼筋混凝土建筑的四樓，采用柱梁設計，”麥克米倫說。“為了確�；瘜W實驗室的安全，需要安裝大型空氣處理設備，這給建筑結(jié)構(gòu)帶來了顯著的振動。建筑物始終在輕微地移動。結(jié)構(gòu)的基本頻率范圍為10至25Hz，空氣處理設備在14、29和42Hz處增加了可測量的噪聲。此外，建筑物外部的長期施工也帶來了額外的振動�！� STM被放置在一個非常小的房間內(nèi)——面積僅為80平方英尺（約7.4平方米），由于靠近建筑物的結(jié)構(gòu)支撐，這個位置提供了實驗室空間中最低的振動水平。STM位于一個大小適中的聲學隔離/溫控腔室內(nèi)，以優(yōu)化空間使用。STM及其完整的微波設置的總重量約為25磅（約11.3公斤），尺寸為10英寸寬 x 10英寸深 x 8英寸高（約25.4厘米 x 25.4厘米 x 20.3厘米）。 “可用的振動隔離選項有限，”麥克米倫補充道�！癝TM最初放置在一個氣浮隔振器上的花崗巖表面板上，這種隔振器最初是為光學顯微鏡系統(tǒng)設計的。但這種方法已不足以消除影響納米級成像的低頻振動�！� 負剛度隔振 Claridge研究小組決定為其STM安裝負剛度隔振系統(tǒng)。由于其在低頻隔振效率非常高，使得像STM和AFM這樣的振動敏感儀器能夠在極端低振動環(huán)境中正常工作，而使用頂級氣浮隔振臺和其他隔振技術(shù)是無法達到這一效果的。 負剛度隔離器由Minus K Technology公司開發(fā)，采用了一種獨特且完全機械的概念進行低頻振動隔離。它們不需要電力或壓縮空氣，沒有電機、泵或腔室，也不需要維護，因為沒有任何部件會磨損。它們完全以被動機械模式運行。 “垂直運動隔離是由一個支持重量負載的剛性彈簧與負剛度機制結(jié)合提供的，” Minus K Technology的工程副總裁埃里克·倫格說�！巴ㄟ^這種方式，可以在不影響彈簧靜態(tài)負載支撐能力的情況下，使凈垂直剛度變得非常低。與垂直運動隔離器串聯(lián)連接的梁柱提供水平運動隔離。梁柱表現(xiàn)為一個結(jié)合了負剛度機制的彈簧。結(jié)果是一個緊湊的被動隔離器，能夠?qū)崿F(xiàn)低垂直和水平自然頻率以及高內(nèi)部結(jié)構(gòu)頻率�！� 負剛度隔離器在多個方向上實現(xiàn)了高水平的隔離效果。它們具有靈活性，可以定制垂直和水平共振頻率至0.5Hz（某些版本水平方向為1.5Hz）。 （注意：對于自然頻率為0.5Hz的隔離系統(tǒng)，隔離從0.7Hz開始，并隨著振動頻率的增加而改善。自然頻率通常用于描述系統(tǒng)性能。） 在0.5Hz時，幾乎不存在能量。很少會在0.5Hz發(fā)現(xiàn)顯著的振動。頻率高于0.7Hz的振動（負剛度隔離器開始隔離的起點）會隨著頻率的增加迅速衰減。當調(diào)整到0.5Hz時，負剛度隔離器在2Hz時可實現(xiàn)約93%的隔離效率；在5Hz時為99%；在10Hz時為99.7%。 振動隔離效率 “負剛度隔離器在8至30Hz范圍內(nèi)的振動衰減效果特別好，而這一頻段使用其他振動隔離裝置時一直是個難題，” 麥克米倫繼續(xù)說道�！案鶕�(jù)我們的經(jīng)驗，負剛度隔離器的低固有頻率（0.5Hz）在這附近的頻率上改善了衰減效果。” “負剛度隔振器的被動特性使我們無需在聲學隔離腔中提供額外的穿透和連接，從而消除了可能的聲學噪聲源，”麥克米倫補充道�！皽p少進入腔體的電纜數(shù)量也限制了電纜振動耦合到實驗中的程度，并減少了潛在的電子噪聲來源�！� “納米級研究使用掃描隧道顯微鏡（STM）或原子力顯微鏡（AFM）等儀器時，需要比高性能氣浮臺所能提供的更高精度的隔振，以及比主動隔振系統(tǒng)所能提供的更高水平的環(huán)境適應性。幸運的是，對于這種高精度的研究需求，負剛度隔振技術(shù)提供了一個兼容的解決方案�！� 注：由于flash原因，無法上傳圖片，附上原文鏈接：https://www.minusk.com/content/in-the-news/Minus_K_EdGivePress_0624-stm-scanning-tunneling-nanoscopic-vibration-isolation.html |
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