استفاده از میکروسکوپی نیروی اتمی برای تصویر برداری سه بعدی از مولکول‌ها

تصویربرداری میکروسکوپی نیروی اتمی از یک مولکول جذب سطحی شده بر روی یک بستره معمولا با نوک میکروسکوپی نیروی اتمی که در حال نوسان در یک ارتفاع ثابت است انجام می شود، که در آن شرایط تصویربرداری بهینه (منطقه آبی روشن) فقط برای قسمت بالای مولکول حاصل می شود. در عوض، گروه دانیل ابلینگ از یک حالت جریان ثابت استفاده می کند، که در آن نوک میکروسکوپی نیروی اتمی به صورتی نزدیک توپوگرافی مولکول را دنبال می کند، و اجازه‌ی یک تصویر برداری کامل مولکولی سه بعدی را می دهد. اعتبار: APS / Alan Stonebraker
 
یک تیم از محققان دانشگاه Justus Liebig Giessen راهی برای بهبود چشمگیر تصاویرتوپولوژیکی پیچیده سه بعدی از مولکول ها را به وجود آورد که با استفاده از میکروسکوپی نیروی اتمی (AFM) ایجاد شده بود. در مقاله ای از آنها که در مجله Physical Review Letters منتشر شد، گروه تنظیمات ساده ای را توضیح می دهد که روی روندی به وجود آورد که بهبود چشمگیری در توان تفکیک میکروسکوپی نیروی اتمی به وجود می‌آورد.
 
تقریبا یک دهه از زمانی که میکروسکوپی نیروی اتمی معرفی شده است می گذرد، که به پژوهشگران امکان می دهد تصاویری از مولکول های منفرد بگیرند و بهتر درک کنند که چگونه مولکول ها سوار شده اند. اما این تکنیک از کمبود عمده ای رنج می برد – این تکنیک فقط در مورد مولکول های تقریبا تخت کار می کند. آن مولکول هایی که دارای ویژگی های پیچیده تر سه بعدی هستند، فقط به صورت جزئی به وضوح تجسم می شوند. دلیل آن این است که نوک سنسور در یک فاصله ثابت از مولکول مورد مطالعه، نوسان می کند. این به این معنی است که تنها بخش هایی از مولکول نزدیک به سنسور به وضوح تجسم می شود. منطق حکم کرده است که راه حل این مشکل این است که نوک پروب را به بالا و پایین در مسیری که توپولوژی مولکول را تقلید کند، حرکت دهیم. اما ثابت شده است که چنین رویکردی گریزان است. دنبال کردن تپه ها و دره ها به صورت بلادرنگ و حرکت دادن نوک فقط به مقدار درست، تا به حال، غیر قابل تداوم بوده است.
 
برای غلبه بر مشکلات ذاتی در ردیابی محیط یک مولکول، محققان به میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) رو کردند. از آن همچنین برای ایجاد تصاویری در سطح مولکولی استفاده می شود، اما آن از رویکردی متفاوت برای انجام این کار استفاده می کند. میکروسکوپی نیروی اتمی از نیروهای از سطح مورد مطالعه برای نگه داشتن نوک حسگر در فاصله ای مناسب برای تصویربرداری استفاده می کند - از طرف دیگر، میکروسکوپ تونلی روبشی از جریان تونلی که از میان خلاء بین نوک سنسور و مولکول مورد مطالعه جاری می شود استفاده می کند. محققان این ایده را در نظر گرفتند که از جریان تونلی از STM به منظور هدایت نوک تیز سنسور AFM، با بالا و پایین حرکت دادن آن با محیط مولکول تحت مطالعه، استفاده کنند.
 
محققان گزارش می دهند که تنظیم ساده آنها منجر می شود به تصاویری تیز از مولکول های 3 بعدی که برای مولکول های پیچیده بسیار شبیه به آنهایی است که عمدتا مسطح هستند.
 

 

تصویربرداری میکروسکوپ تونلی روبشی از فعل و انفعالات اسپینی ضعیف تا قوی بین دو مولکول مغناطیسی. اعتبار: ویلسون هو
 
یک تیم از محققان دانشگاه کالیفرنیا و دانشگاه فودان راهی را توسعه داده اند برای استفاده از یک آهنربای مولکولی منفرد به عنوان یک مغناطیس سنج روبشی. در مقاله اشان که در مجله Science منتشر شد، این گروه تحقیقشان را طرح ریزی می کنند که نشان دهنده سنسور آنهاست که اسپین و خواص مغناطیسی یک مولکول نشانده در یک ماده دیگر را اسکن می کند.
 
همانطور که دانشمندان همچنان به تلاش خود برای جا دادن داده های بیشتر در دستگاه های ذخیره سازی به طور فزاینده کوچکتر ادامه می دهند، در حال کاوش امکان استفاده از حالت مغناطیسی یک مولکول تک یا حتی یک اتم هستند – که احتمالا کوچکترین نوع آیتم های ممکن حافظه خواهند بود. در این تلاش جدید، محققان نشان داده اند که امکان استفاده از یک مولکول تک، که به یک سنسور متصل است، برای خواندن خواص یک مولکول تک در ماده ای دیگر وجود دارد.
 
محققان برای ایجاد حسگرشان و رسانه ذخیره سازی، ابتدا مولکولهای مغناطیسی Ni (cyclopentadienyl) 2 را بر روی یک صفحه با پوشش نقره جذب کردند. سپس یک مولکول نیکلوسین را از سطح نقره ای کشیدند و آن را به نوک یک سنسور میکروسکوپ تونلی روبشی اعمال کردند. سپس آنها یک سطح پوشش داده شده با یک ماه جذب شده را تا 600 میلی کلوین حرارت دادند و سپس حسگر نوک دار شده با مولکول تکی را تا نزدیک سطح حرکت دادند و سیگنال های دریافت شده توسط پروب را همان طور که مولکول ها فعل و انفعال داشتند خواندند.
 
محققان گزارش می دهند که قادر به خواندن تعاملات اسپینی و مغناطیسی واقع با دو مولکول بودند. آنها همچنین گزارش دادند که با استفاده از پروب، آنها همچنین قادر به ایجاد تصاویری از شکل تعاملات در چند جهت مکانی بودند. آنها اشاره کردند که سیگنالهایی که آنها دریافت کردند، هنگامی که پروب مستقیما روی مرکز مولکول تحت مطالعه قرار می گرفت قوی‌ترین بود، و این که همان طور که زاویه افزایش می‌یافت به طور نامتقارن کاهش می یافت و همان طور که نوک دورتر می رفت به طور نمایی کاهش می یافت. همانطور که دانشمندان همچنان به تلاش خود برای جا دادن داده های بیشتر در دستگاه های ذخیره سازی به طور فزاینده کوچکتر ادامه می دهند، در حال کاوش امکان استفاده از حالت مغناطیسی یک مولکول تک یا حتی یک اتم هستند. این تیم همچنین دو مولکول نیکلوسین را به هم پیوند داد و گزارش می دهد که آنها بر طبق نظریه تابعی چگالی رفتار کردند.
 
محققان با این پیشنهاد گزارش خود را به پایان می رسانند که ممکن است تعاملات اسپینی در سطح آنگستروم را اندازه گیری و نظارت کرد، که این احتمالا منجر به توسعه انواع جدیدی از سنسورهای مغناطیسی می شود.
 

تصاویر فوق از میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) سه مرحله مختلف مولکول را نشان می دهند که به یک کد سه گانه برای رمزگذاری اطلاعات مربوط می شوند: در وضعیت به شدت مغناطیسی (سمت چپ)، در یک حالت مغناطیسی کم با اتم هایی که به یکدیگر نزدیک شده اند (وسط) و در وضعیت مغناطیسی کمِ معادل اما تا 45 درجه چرخیده (راست). اعتبار: مانوئل گروبر

منبع: باب ییرکا، Phys.org