Исследовательская работа по информатике Тема: Нанотехнологии - знакомство с будущим.

1.Введение

Достижения современной науки и технологии во многом связаны с появлением в арсенале экспериментаторов принципиально нового инструмента – сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), предоставившего возможность визуализировать, диагностировать и модифицировать вещество с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Именно благодаря СЗМ, еще недавно казавшиеся фантастическими прямые эксперименты с отдельными молекулами и атомами стали вполне реальными и даже обычными не только для фундаментальных исследований, но и для прикладных разработок в нанотехнологии.

В "Многорофильном лицее" есть учебный сканирующий зондовый
микроскоп для школьников, с помощью которого школьники могут проводить различные исследования. Так как сканирующий зондовый микроскоп в нашем лицее появился не так давно, еще не многие смогли поработать с помощью него. Узнав, какие исследования возможно проводить с помощью этого микроскопа, мы очень заинтересовались им и хотели бы познакомить и заинтересовать как можно больше ребят в возможностях сканирующего зондового микроскопа.

Цели и задачи нашего проекта :

• Выяснить для чего нужен сканирующий зондовый микроскоп.

• Рассмотреть структуру сканирующего зондового микроскопа.

• Узнать где может применяться сканирующий зондовый микроскоп.

• Провести исследования при помощи зондового микроскопа.

• Выяснить, с помощью социологического опроса, насколько популярен зондовый микроскоп среди школьников нашего поселка.

• Заинтересовать школьников в возможностях зондового микроскопа.

2.1Сканирующий зондовый микроскоп

Сканирующие зондовые микроскопы(Рис.1-1) (СЗМ, англ.SPM — ScanningProbeMicroscope) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. 

2.2

Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 году, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска.

НАНОЭДЮКАТОР – это разработка компании НТ-МДТ, которая получила награду R&D100, как лучшая разработка в области высокотехнологического оборудования для нанотехнологий. В конструкции НАНОЭДЮКАТОРа используются такие же комплектующие, как в топовых профессиональных системах (линии Солвер, линии Интегра): 100 мкм метрологический сканер с датчиками обратной связи (по всем координатам XYZ). В качестве датчиков выбраны низкошумящие емкостные сенсоры, которые превосходят по своим параметрам аналогичные пьезоэлектрические и оптические датчики перемещений. А для управления сканирования и обработки результатов используется профессиональный контроллер.

2.3 Устройство и принцип действия СЗМ

В основе работы СЗМ NanoEducator лежит использование зависимости величины взаимодействия между зондом в виде острой вольфрамовой иглы и поверхностью исследуемого образца от величины расстояния зонд-образец.

В СЗМ NanoEducator игла-зонд закрепляется неподвижно относительно образца. Образец может перемещаться относительно иглы по трем пространственным координатам: X, Y- в плоскости образца, Z- по вертикали (перпендикулярно плоскости X-Y).

При работе прибора образец движется в плоскости X-Y (Рис. 1‑4) построчно, таким образом, что кончик иглы постепенно проходит над всей заданной площадью образца с шагом . Этот процесс называется сканированием.

2.4Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:

• Сканирующий атомно-силовой микроскоп

• Сканирующий туннельный микроскоп

• Ближнепольный оптический микроскоп

Несмотря на относительную новизну методов, атомно-силовые и другие зондовые микроскопы занимают сильную позицию основного аналитического инструмента для решения задач определения с высоким пространственным разрешением физико-химических свойств объектов.

НАНОЭДЮКАТОР – это сканирующий зондовый микроскоп, который сочетает в себе простоту, устойчивость к случайным поломкам, низкую стоимость эксплуатации, возможность использовать в образовательном процессе и профессиональный функционал атомно-силового микроскопа.

2.5НАНОЭДЮКАТОР – АСМ для научных исследований, научных проектов и исследовательской деятельности

НАНОЭДЮКАТОР, несмотря на свою компактность и простоту эксплуатации, поддерживает все базовые методики атомно-силовой микроскопии, поэтому он может быть использован для любых рутинных АСМ измерений и экспериментов в научных исследованиях. Для примера показаны результаты некоторых экспериментов в различных научных приложениях:

• Исследование полимерных объектов.

• Исследование биологических объектов

• Исследование углеродныхнаноматериалов.

2.6.Исследования, проведенные с помощью школьного СЗМ(Рис.1-2, Рис.1-3)

В качестве объекта для исследований мы выбрали процессор SIM-карты.

Технически SIM-карта представляет собой один из вариантов смарт-карт — микрокомпьютеров со своим процессором и памятью, общающихся с внешним миром через интерфейс из нескольких электрических контактов. Обычно на SIM-карте есть несколько килобайт постоянной памяти, пара-тройка килобайт оперативной памяти и немного флэша. Последний ранее использовался для хранения записной книжки, но ограничение на число записей (250) и поддержка только двух полей (имя и телефон) практически лишили его сегодня этой роли. SIM-карта - это идентификационный модуль абонента, содержащий микропроцессор и память, в которой может храниться различная информация. Она отвечает всем спецификациям ISO 7816 и работает по протоколу T=0 класс ISO A0h. Перед нами микрокомпьютер на базе 8-разрядного процессора. Он обрамлен памятью трех видов: ROM, RAM и EEPROM. Операторов очень интересует последняя составляющая, которая достигает 64 кб и может послужить контейнером для организации сервисных возможностей (SIM-меню или SIM Service). Энергонезависимая EEPROM память программируется дистанционно (с разрешения пользователя). Прозрачный файл состоит из определенного числа байтов, доступных по отдельности и блоками, для чего необходимо уточнить их относительный адрес (offset) и длину (length).

Линейный файл состоит из последовательности записей (records) фиксированной длины и в соответствии с этим должен рассматриваться как последовательный. Максимальный объем такого файла составляет 255 записей на 255 байт, не считая расширения.

Циклический файл содержит определенное число записей фиксированной длины. При этом каждая новая запись всегда занимает первую позицию, в то время как последняя оказывается "затертой".(Рис.1-9)

С процессора SIM-карты сняли защитный слой, вырезали процессор, двухсторонним скотчем закрепили его на подложку и установили на предметный столик СЗМ. Включили процесс сканирования. В результате сканирования получили модель поверхности процессора SIM-карты.

2.7 Социологический опрос

Сканирующий зондовый микроскоп – это достаточно новая вещь в науке. Мы решили провести социологический опрос, чтобы выяснить как много школьников знают такой микроскоп или хотя бы слышали о нем. Мы разместили вопрос в соц.сетях. Откликнулись на нашу просьбу 102 человека. Из них 16 человек- исследовали с помощью него, 36 человек ни разу не слышали о таком, 15 человек –не подозревают, что в нашем лицее существует подобная вещь, и 35 человек слышали о таком. С помощью этих данных мы составили диаграмму в процентном отношении.

На основе этой диаграммы (Рис.1-5)мы можем сделать следующий вывод:

Всего 15.7 % из 100% исследовали с помощью сканирующего зондового микроскопа, на самом деле это очень мало, хотелось бы , чтобы этот микроскоп заинтересовал как можно больше любителей исследовать, ведь это очень интересно.

2.8 Исследования, которые нас очень заинтересовали:

• ДНК(Рис.1-6)

Cуперскрученная кольцевая плазмидная ДНК pEGFP (3.4 т.п.н.) на слюде. Для посадки ДНК на слюду использовался буферный раствор, содержащий ионы магния: 5 mM HEPES, 10 mM MgCl₂.Наблюдаемая пространственная организация молекулы типична для небольших концентраций солей в буферном растворе. Изображение получено с помощью СЗМ Solver-Proполуконтактным методом в этаноле. Для получения изображения использовался треугольный зонд из нитрида кремния жесткостью 0.5 Н/м. 

• Атомные слои GaAs на поверхности кремния(Рис.1-7)

АСМ изображение эпитаксиально выращенных слоев GaAs на кремниевой подложке.

Применена 3х3 медианная фильтрация. Обращает на себя высокое разрешение по z, несмотря на использование 79 мкм сканера и без применения антивибрационных систем, при том, что прибор установлен  на первом этаже здания.

• Мгновенный лед(Рис.1-8)

Явление переохлаждения жидкостей не привлекает к себе большого внимания за пределами фокусов и лишь упоминается в школе. Однако распространено оно намного шире упоминаний о нем. В жизни почти единственный процесс кристаллизации, который встречается регулярно -  замерзание воды (если, конечно, вы живете там, где отрицательные числа всем знакомы с самого детства).

Обычно вода совсем не демонстрирует переохлаждения, но будучи хорошо очищенной, может переохлаждаться на десятки градусов.  В действительности, переохлаждение - не просто явление, сопутствующее кристаллизации. Это неотъемлемая часть явления кристаллизации, время от времени производящая эффект под названием «мгновенный лед».

3.Заключение

Поскольку СЗМ стал одним из базовых инструментов нанотехнологии, которая в свою очередь является одной из основных движущих сил развития цивилизации в XXI веке, становится совершенно очевидной необходимость скорейшего внедрения СЗМ в учебный процесс. С этой целью и разработан Сканирующий зондовый микроскоп для учебных целей NanoEducator.

В своей работе мы постарались выяснить, для чего нужен сканирующий зондовый микроскоп, изучили структуру зондового микроскопа, узнали, где применяется зондовый микроскоп. С помощью социологического опроса среди школьников Чегдомына выяснили, что сканирующий зондовый микроскоп не так популярен, как хотелось бы. Полученный нами материал можно использовать на уроках и факультативах.

Надеемся, что смогли заинтересовать ребят в возможностях этого микроскопа. И теперь количество желающих исследовать с помощью него заметно возрастет.

Список литературы:

Интернет-ресурсы:

http://www.ntmdt.ru/mikroskopy-dlya-obrazovaniya/nanoeducator-2

• Википедия

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF

7