Name: hand controlled manipulation of single molecules via a scanning probe microscope with a 3d virtual reality interface
Uploaded: 2016-10-02T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface at JoVE.com

The authors have no acknowledgements.

Varning: PTCDA kan vara irriterande för hud eller ögon och bör därför hanteras med omsorg med hjälp av lämpliga handskar. Kontakta lämpliga säkerhetsåtgärder broschyrer. Kryovätskor kan ge effekter på huden som liknar en termisk brännskada eller kan orsaka förfrysning vid långvarig exponering. Bär alltid skyddsglasögon och lämpliga kryogeniska handskar vid hantering av kryogeniska vätskor. Gasen som bildas av kryogena vätskor är mycket kallt och vanligtvis tyngre än luft och kan ansamlas nära golvet undanträngande l...

<ol>
	<li>Barth, J. V., Costantini, G., Kern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+atomic+and+molecular+nanostructures+at+surfaces.">Engineering atomic and molecular nanostructures at surfaces.</a> Nature. 437, 671-679 (2005).</li><li>Otero, R., Rosei, F., Besenbacher, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+tunneling+microscopy+manipulation+of+complex+organic+molecules+on+solid+surfaces.">Scanning tunneling microscopy manipulation of complex organic molecules on solid surfaces.</a> Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 497-525 (2006).</li><li>Urgel, J. I., Ecija, D., Auw&#228;rter, W., Barth, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Manipulation+of+Gadolinium+Coordinated+Supramolecules+by+Low-Temperature+Scanning+Tunneling+Microscopy.">Controlled Manipulation of Gadolinium Coordinated Supramolecules by Low-Temperature Scanning Tunneling Microscopy.</a> Nano Lett. 14, 1369-1373 (2014).</li><li>Fournier, N., Wagner, C., Weiss, C., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force-controlled+lifting+of+molecular+wires.">Force-controlled lifting of molecular wires.</a> Phys. Rev. B. 84, 035435 (2011).</li><li>Wagner, C., Fournier, N., Tautz, F. S., Temirov, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+Binding+Energies+of+the+Organic-Metal+Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride/Au(111)+Bonds+by+Molecular+Manipulation+Using+an+Atomic+Force+Microscope.">Measurement of the Binding Energies of the Organic-Metal Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride/Au(111) Bonds by Molecular Manipulation Using an Atomic Force Microscope.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (7), 076102 (2012).</li><li>Wagner, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-additivity+of+molecule-surface+van+der+Waals+potentials+from+force+measurements.">Non-additivity of molecule-surface van der Waals potentials from force measurements.</a> Nat. Commun. 5, 5568 (2014).</li><li>Green, M. F. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterning+a+hydrogen-bonded+molecular+monolayer+with+a+hand-controlled+scanning+probe+microscope.">Patterning a hydrogen-bonded molecular monolayer with a hand-controlled scanning probe microscope.</a> Beilstein Journal of Nanotechnology. 5, 1926-1932 (2014).</li><li>Leinen, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+reality+visual+feedback+for+hand-controlled+scanning+probe+microscopy+manipulation+of+single+molecules.">Virtual reality visual feedback for hand-controlled scanning probe microscopy manipulation of single molecules.</a> Beilstein J. Nanotechnol. 6, 2148-2153 (2015).</li><li>Wagner, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+Quantum+Dot+Microscopy.">Scanning Quantum Dot Microscopy.</a> Phys. Rev. Lett. 115 (2), 026101 (2015).</li><li>Mura, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+and+theoretical+analysis+of+H-bonded+supramolecular+assemblies+of+PTCDA+molecules.">Experimental and theoretical analysis of H-bonded supramolecular assemblies of PTCDA molecules.</a> Phys. Rev. B. 81 (19), 195412 (2010).</li><li>Besocke, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+easily+operable+scanning+tunneling+microscope.">An easily operable scanning tunneling microscope.</a> Surf. Sci. Lett. (1-2), 145-153 (1987).</li><li>Giessibl, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+atomic+force+microscopy.">Advances in atomic force microscopy.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (3), 949-983 (2003).</li><li>Albrecht, T. R., Gru&#776;tter, P., Horne, D., Rugar, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+modulation+detection+using+high-Q+cantilevers+for+enhanced+force+microscope+sensitivity.">Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity.</a> J. Appl. Phys. 69 (2), 668-673 (1991).</li><li>Temirov, R., Lassise, A., Anders, F. B., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kondo+effect+by+controlled+cleavage+of+a+single-molecule+contact.">Kondo effect by controlled cleavage of a single-molecule contact.</a> Nanotechnology. 19 (6), 065401 (2008).</li><li>Gl&#246;ckler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+ordered+structures+and+submolecular+scanning+tunnelling+microscopy+contrast+of+PTCDA+and+DM-PBDCI+monolayers+on+Ag(111)+and+Ag(110).">Highly ordered structures and submolecular scanning tunnelling microscopy contrast of PTCDA and DM-PBDCI monolayers on Ag(111) and Ag(110).</a> Surf. Sci. 405 (1), 1-20 (1998).</li><li>Simon, G. H., Heyde, M., Rust, H. -. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recipes+for+cantilever+parameter+determination+in+dynamic+force+spectroscopy:+spring+constant+and+amplitude.">Recipes for cantilever parameter determination in dynamic force spectroscopy: spring constant and amplitude.</a> Nanotechnology. 18 (25), 255503 (2007).</li><li>Rohlfing, M., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adsorption+structure+and+scanning+tunneling+data+of+a+prototype+organic-inorganic+interface+PTCDA+on+Ag+(111).">Adsorption structure and scanning tunneling data of a prototype organic-inorganic interface PTCDA on Ag (111).</a> Phys. Rev. B. 76 (11), 115421 (2007).</li><li>Guthold, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Manipulation+of+Molecular+Samples+with+the+nanoManipulator.">Controlled Manipulation of Molecular Samples with the nanoManipulator.</a> IEEE/ASME Trans. Mechatronics. 5 (2), 189-198 (2000).</li></ol>

Liksom andra SPM-baserade metoder, de molekylära manipulation experiment som beskrivs i detta dokument beror också till viss del på egenskaperna hos SPM spets. Spetsen apex strukturen (som inte helt kan kontrolleras) bestämmer styrkan hos spets-molekylen bindning. Hence styrkan hos spets-molekylen kontakt kan variera avsevärt och sålunda ibland kan vara för låg. Därför i protokollet hänvisar vi till några grundläggande tester av spetskvalitet och dricks behandling förfaranden. Däremot kan en mer allvarlig...

Den låga temperatur beröringsfri atomkrafts / sveptunnelmikroskop (LT NC-AFM / STM, i följande helt enkelt benämnt SPM) är det bästa sättet för Atomically exakt manipulering av enskilda atomer eller molekyler 1 - 3. SPM-baserad manipulation vanligtvis begränsad till två dimensioner och består av en serie av plötsliga och ofta stokastiska manipulation händelser (hopp). Detta begränsar i huvudsak kontroll över processen. Kontakt molekylen i fråga genom en enkel kemisk bindning vid en väldefinierad atom ställning leder till en strategi som kan övervinna dessa begränsningar 4 - 9. Hela dess manipulation den kontaktade molekylen är ansluten till SPM spetsen så att förflyttning av molekylen i alla tre dimensioner med lämpliga förskjutningar av spetsen blir möjlig. Detta skapar möjlighet för olika komplexa manipuleringsåtgärder som vidtas i 3D-rymden. Emellertid kontakt manipulation kan vara hindered genom interaktioner av den manipulerade molekylen med ytan och / eller andra molekyler i dess omgivningar, som kan skapa krafter som är tillräckligt stora för att spräcka spetsen-molekylen kontakt. Därför ett särskilt 3D banan för SPM spetsen kan eller inte kan leda till en lyckad manipulation händelse. En fråga uppstår därför hur man definierar protokoll som leder till ett framgångsrikt slutförande av manipulation i omständigheterna när spetsen molekyl obligation har en begränsad styrka, medan samspelet mellan den manipulerade molekylen med dess omgivning är inte a priori väl karakteriserade. Här av denna fråga i den mest intuitiva sätt tänkbara. Försöks tillåts styra förskjutningen av SPM spetsen helt enkelt genom att flytta sin hand 7. Detta uppnås genom koppling av SPM till en kommersiell motion capture-system, en del av vars specifikationer ges nedan. Fördelen med &quot;hand styrd manipulation&quot; (HCM) är i tHan försöks förmåga att prova olika manipulation banor snabbt och lära av deras misslyckande eller framgång. HCM inställningen har använts för att genomföra en proof-of-principle experiment där ett ord ( &quot;Jülich&quot;) var stenciled i en sluten skikt av perylen-3,4,9,10-tetrakarboxylsyradianhydrid (PTCDA) molekyler på Ag ( 111), ta bort 48 molekyler, en efter en, med HCM 7. Lyfta en molekyl från ytan klyver dess intermolekylära vätebindningar som binder molekylerna i monolagret 10. Typiskt den totala styrkan hos de föreliggande intermolekylära bindningar överskrider styrkan hos den enkel kemisk bindning mellan den yttersta atomen i spetsen och en karboxyl-syreatomen i PTCDA genom vilken molekylen bringas i kontakt (se fig 1). Som kan leda till bristning av spetsen-molekylen kontakt och följande fel på manipulation försöket. Försöks uppgift är därför att determine en spets bana som bryter motståndsintermolekylära bindningar sekventiellt snarare än samtidigt, så att den totala kraft som appliceras på spetsen-molekylen kontakt aldrig överstiger dess styrka. Även om den önskade banan kan i princip simuleras, på grund av storleken och komplexiteten i systemet involverade nödvändiga simuleringar skulle ta en oöverkomligt stor del av tiden. I motsats till detta, med hjälp av HCM var det möjligt att ta bort den första molekylen efter 40 minuter. Mot slutet av försöket utvinning tog redan mycket mindre tid som bekräftar effektiviteten av inlärningsförfarande. Dessutom var noggrannheten och mångsidigheten hos HCM-metoden framgår i agera av omvänd manipulation när en molekyl extraherats från grann platsen användes för att stänga tomrummet efter den felaktiga avlägsnande av en annan molekyl från monolagret. Motion capture strategi, samtidigt som snabbt och intuitivt, ärbegränsad till alstringen av tip-bana data. För ytterligare systematisk utveckling av nya molekylära manipulation protokoll är det lika viktigt att kunna visa tips bana data i realtid samt att analysera tidigare genererade data. Därför är funktionaliteten för HCM in förbättrad väsentligen genom tillsats av virtuell verklighet glasögon vilka tillåter experimentalist att se de data som plottats i den virtuella 3D-scen där spets bana förstärks av strömmen (I) och frekvensskift (Af) värden uppmätta av SPM i realtid 8 (se nedan). I tillägg till detta, visar den virtuella verkligheten scenen en modell av den manipulerade molekyl som fungerar som en visuell skala referens. HCM inställning kompletteras med den virtuella verkligheten gränssnittet är därför lämplig för systematisk kartläggning av manipulation bana utrymme och successiv förfining av de lovande manipulation protokoll. Förutom att systemet underlättar också kunskapsöverföringen mellan different experiment. Följande punkter ger en beskrivning av installationen och några av dess specifikationer som är relevanta för manipulation experiment. Experimenten utförs i ultrahögt vakuum (UHV) vid ett grundtryck av 1 x 10 -10 mbar med en kommersiell SPM bestående av en beredning kammare och en analyskammaren. Tillagningskammaren är utrustad med: Ar + källa användes för prov förstoftning, provöverförings via manipulator (tillåter uppvärmning och kylning av ett prov), låg-energi elektrondiffraktion (LEED), en anpassad Knudsen cell (K-cell) innehållande PTCDA pulver renades genom sublimering. Analyskammaren är utrustad med: LN två bad kryostat med en volym på 12 L och en hålltid av 46 h, LHE bath kryostat (5 L, 72 h), Besocke 11 skalbagge-typ SPM utrustad med en stämgaffel sensor 12 ( TFS) som består av en kvartsstämgaffel med en elektriskt ansluten PtIr spets (för STM drift), Som skärs och slipas genom en fokuserad jonstråle (FIB) (Figur 2). <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" /> Figur 2. Stämgaffel sensorn. (A) bild av en kommersiell stämgaffel sensor med tillhörande PtIr spets. (B) SEM-bild av PtIr spets spetsen skär med FIB. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> AFM drivs i frekvensmodulerade (FM) mod 13 där TFS exciteras vid resonans (f 0 ≈ 31.080 Hz) med en vibrations piezo. Den piezoelektriska signalen för den oscillerande stämgaffeln förstärks och används av en faslåst slinga (PLL), som håller amplituden för TFS s oscillation konstant och spårar ändringar bland de its resonansfrekvens, Af = f - f 0, som har sitt ursprung från gradienten av den kraft som verkar på spetsen. Såsom visas i fig 3 SPM spetspositionen styrs av spänningar (u x, u y, u z) appliceras på en uppsättning av X-, Y-, Z-piezos (piezo konstanter vid 5 K: x = 15, y = 16, z = 6 A / V). U x, är u y u z -voltages (± 10 V vid 20 bitars upplösning) genereras vid SPM elektronik utgångarna. De förstärks ytterligare av en hög spänning (HV) förstärkare som har en maximal utspänning på ± 200 V. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" /> Figur 3. Schema för HCM installationen. Position (spårade objektet) TILL som har flera (infraröd) IR-källor installerade på sin yta spåras av två infraröda kameror för motion capture-systemet (MCS). TipControl såftware erhåller TO koordinater (x, y, z) från MCS och vidarebefordrar den till fjärrspänningskällan (RVS) som genererar en uppsättning av spänningar (v x, v y, v z) som summeras med spänningarna (u x , u y, u z) produceras av SPM elektronik för styrning av SPM spetspositionen. Den tillsatta spänningen passerar genom en högspännings (HV) förstärkare och är vidare appliceras på piezo-positioneringssystemet av SPM spetsen. Installationen möjliggör manuell styrning av spetsen positionering när SPM feedback (FB) slingan är öppen. (X, y, z) positionen av spetsen samt I (x, y, z) och Af (x, y, z) skickas till VRinterface programvara som plottar den i den virtuella 3D-scenen som ses av operatören bär huvudmonterade display (HMD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> Tunnel ström som flyter mellan SPM spets ochytan mäts med en transimpedansförstärkare med en variabel förstärkning som sträcker sig från 1 x 03 till 01 Oktober x 10 9 V / A (bandbredd vid förstärkningen ett x 10 9 V / A är ett kHz). Utsignalen från förstärkaren matas in i STM feedback (FB) slinga för att reglera spetshöjden ovanför ytan i konstantströmavsökningsläge. Stabiliteten i korsningen (med TFS svängning avstängd) är 1-3 pm. Den piezoelektriska oscilleringssignal i TFS förstärks i två steg: (1) förförstärkare fäst vid LN 2 sköld (få en x 10 8 V / A, bandbredd 20 kHz), och (2) extern spänningsförstärkare med variabel förstärkning från en x 10 1 5 x 10 4 och en bandbredd på 1 MHz. För HCM experiment är SPM installationen utökas med: motion capture-system (MCS), fjärrstyrd flerkanalig spänningskälla (RVS), summeringsförstärkaren och virtuell verklighet huvudmonterade display (HMD). Alla de uppräknade enheter utom summing förstärkare förvärvades kommersiellt. MSC är en infraröd (IR) markör-tracking system som tillåter millimeter upplösning av rumsliga förskjutningar med en hastighet av 100 Hz. Systemet består av två IR-kameror, en trackable objekt (TO) och kontrollmjukvaran. MCS programvara erhåller x-, y-, z-koordinater för TO i 3D-rymden genom att analysera dess bilder som erhållits av de två kamerorna. MCS erbjuder ett programmeringsbibliotek som tillåter användning av koordinaterna för TO i ett separat program. Koordinaterna för TILL (x TILL y TILL Ö till) skickas till en specialutvecklad programvara programmet &quot;TipControl&quot;. Figur 4 visar en skärmdump av det grafiska användargränssnittet. Programvaran aktiveras av &quot;start&quot; -knappen i fönstret. Efter aktivering (τ = 0) programvaran sätter alla v x -, v y -, -voltages mot z på RVS (spänningsområde ± 10 V vid 16bitars upplösning, 50 ms fördröjning per spänningssteg) i enlighet med följande uttryck <img alt="ekvation 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" /> etc., där C x, c y, c z är de faktorer som omvandlar 5 cm av förskjutningen av TO till en en förskjutning av SPM spetsen. Faktorerna p x (t), s y (t), p z (t) har värden som definieras av status för x-, y-, z-kryssrutor i fönster programvara. Om rutan är markerad motsvarande p (t) är inställd på 1. All p (t) är satt till 0 i det ögonblick då den &quot;paus&quot; -knappen i fönstret programvara. Som ger operatören möjlighet att tillfälligt &quot;frysa&quot; läget för spetsen. Genom att trycka på knappen &quot;reset all&quot; i fönstret programvara sätter v x -, v y -, -voltages mot z till noll som återför tips till sitt ursprungliga läge definieras av SPM programvara. Textfältet &quot;manuellt kommando för RVS&quot; i fönstret för program ca<html> n användas för att ställa någon av vx -, v y -, -voltages mot z något värde i det tillåtna området ± 10 V. v x -, v y -, -voltages mot z genereras av RVS läggs till u x -, u y -, u z -utgången spänningssignaler av SPM elektronik via en summeringsförstärkare (vinna en, bandbredd 50 kHz, effektområdet ± 10 V). <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" /> Figur 4. Skärmdump av gränssnittet fönstret. Två indikatorer uppvisar status samband med MCS och RVS system. Kryssrutor används för att aktivera handreglering samt utvalda rumsliga axlar. Knappen &quot;Start&quot; initierar dataflödet mellan MCS, TipControl och RVS enligt det schema som visas i figur 3. Knapp &quot;Paus&quot; stoppar dataflödet. Knapp &quot;Reset All&quot; ställer in alla RVS spänningar till noll.= &quot;Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Klicka här för att se en större version av denna siffra. För visualisering av experimentella data (spets bana jag, Af) en huvudmonterad display (HMD) används. HMD ger en stereoskopisk vy (delad HD-skärm - en halv för varje öga, 1920 x 1080 pixlar på 75 Hz). En särskild IR-kamera spårar positionen och orienteringen av HMD i 3D-rymden med hjälp av IR-lysdioder fasta på ytan av HMD. HMD-tracking system gör det möjligt för operatören att ändra vyn i 3D virtuell verklighet scen med en sväng av huvudet eller helt enkelt flytta sin kropp. Den specialskriven mjukvara &quot;VRinterface&quot; samlar in data både från SPM och MCS, gör det i 3D-scenen med hjälp av OpenGL och visar det i HMD med hjälp av utveckling HMDS Software Development Kit (SDK). VRinterface hämtar den faktiska X-, Y-, Z-koordinaterna hos spetsen direkt frånspets programvara (några millisekunder latens) medan jag och Af signaler läses direkt från utgångarna på SPM elektronik (latens ≈ 250 ms). Figur 5 visar en skärmdump av den virtuella 3D-scenen som ses av operatören klädd HMD under HCM. Inne i 3D virtuella scenen spetsen spetsen återges som en vit sfär. Färgning av de inspelade spets banor återspeglar värden av antingen log (I (x, y, z)) eller Af (x, y, z). Växla mellan log (I (x, y, z)) eller Af (x, y, z) färglägen sker genom att trycka på en knapp. En annan knapp initierar inspelning (och visa) av experimentella spets bana data. Trycker du igen på knappen stoppar inspelningen. Den virtuella scen visar också en statisk PTCDA molekyl som används som en visuell hjälp under manipulation. Operatören justerar dess orientering manuellt för att passa orienteringen av den verkliga molekylen på ytan genom att använda knapparna på ett tangentbord. Varning: Eftersom huvudet tinredningar av HMD förlitar sig på IR-lysdioder kan störa MCS eftersom den använder också IR-ljus för att spåra position TO. Därför TILL måste ha en unik form som känns igen av MCS. Detta hjälper MCS att skilja mellan de signaler som kommer från TO och de som kommer från IR-lysdioder i HMD. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" /> Figur 5. S creenshot av den virtuella 3D-scenen visas för operatören i HMD under HCM. En uppsättning av vita kulor bildar en modell Ag (111) yta. Orientering av modellytan behöver inte nödvändigtvis sammanfalla med orientering av provet. En modell av PTCDA molekylen placeras ovanför modellytan. C, O, H-atomer i PTCDA visas i svart, rött och vitt respektive. I syfte att bekvämlighets azimutiska orienteringen av modellmolekylen kan justeras för att passa orienteringen av den verkliga molekylen valdaför manipulation. Spets positionen markeras med en vit sfär som representerar den yttersta spetsen spetsen atom. Realtids I (x, y, z) och Af (x, y, z) -data visas som streckindikatorer placerade intill spetsen. Tidigare registrerades liksom de nu genomförda manipulationer visas som 3D-banor vars färg representerar antingen log (I (x, y, z)) eller Af (x, y, z) värden som uppmätts på motsvarande positioner på banan. Figuren visar banor som är färgade med log (I x, y, z) () signal. Kan växlas färgkontrast mellan log (I (x, y, z)) och Af (x, y, z) lägen genom att trycka på en knapp. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>LN2</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>caution: cryogenic liquid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LHe</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>caution: cryogenic liquid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PTCDA</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>caution: irritating substance</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Knudsen cell (K-cell)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ErLEED</td>
			<td>Specs</td>
			<td></td>
			<td>used with power supply ErLEED 1000A</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>combient LT NC-AFM/STM</td>
			<td>Createc</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>qPlus sensor</td>
			<td>Createc</td>
			<td></td>
			<td>TFS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>preamplifier&#160;</td>
			<td>Createc</td>
			<td></td>
			<td>amplifier for tuning forc signal fixed to LN2 shield (stage 1)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low-Noise Voltage Preamplifier</td>
			<td>Standford Research System</td>
			<td>SR560</td>
			<td>external amplifier for tuning forc signal (stage 2)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable Gain Low Noise Current Amplifier</td>
			<td>Femto</td>
			<td>DLPCA-200</td>
			<td>amplifier for tunneling current</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bonita</td>
			<td>Vicon</td>
			<td>B10, SN: MXBN-0B10-3658</td>
			<td>MCS IR camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Apex Interaction Device</td>
			<td>Vicon</td>
			<td>SN: AP0062</td>
			<td>MCS trackable object (TO)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MX Calibration Wand</td>
			<td>Vicon</td>
			<td></td>
			<td>MCS calibration object</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tracker</td>
			<td>Vicon</td>
			<td></td>
			<td>MCS software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BS series voltage supply</td>
			<td>stahl-electronics</td>
			<td>BS 1-4</td>
			<td>RVS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>summing amplifier&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom, gain 1, based on operational amplifier TL072</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oculus Rrift Development Kit 2</td>
			<td>Oculus VR</td>
			<td></td>
			<td>HMD</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TipControl</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom-written software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VRinterface</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom-written software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

hand controlled manipulation of single molecules via a scanning probe microscope with a 3d virtual reality interface

Med tanke på organiska molekyler som funktionella byggstenar för framtida nanoteknologi, är fortfarande öppen frågan om hur man arrangerar och montera dessa byggstenar i en nedifrån och upp. Skanningssondmikroskop (SPM) kan vara ett verktyg för val; Men, SPM-baserade manipulation tills nyligen begränsad till två dimensioner (2D). Bindande SPM spetsen till en molekyl vid ett väldefinierat läge öppnar en möjlighet för kontrollerad manipulation i 3D-rymden. Tyvärr, är till stor del oförenligt med den typiska 2D-paradigm visning och genererar SPM data på en dator 3D manipulation. För intuitiv och effektiv hantering vi därför par en låg temperatur beröringsfri atomkrafts / sveptunnelmikroskop (LT NC-AFM / STM) till en motion capture-system och fullt uppslukande virtuell verklighet glasögon. Denna installation tillåter &quot;hand styrd manipulation&quot; (HCM), i vilken den SPM spetsen förflyttas i enlighet med rörelsen hos den som utför experimentet hand, while spets banor såväl som svaret hos SPM junction visualiseras i 3D. HCM banar väg för utveckling av komplexa manipulation protokoll, vilket kan leda till en bättre grundläggande förståelse av nano interaktioner som verkar mellan molekyler på ytor. Här beskriver vi installationen och de steg som krävs för att uppnå framgångsrik hand reglerad molekyl manipulation inom virtuell verklighet miljö.

Obs: Denna del visar arbete publiceras i 7,8. Tillämpa HCM på problemet att lyfta PTCDA / Ag (111) av ett lager, kunde vi skriva ett mönster genom att sekventiellt ta bort enskilda molekyler (Figur 9). Totalt 48 molekyler avlägsnades, 40 som kan omlagrade till ren Ag (111), vilket visar att molekylerna förblir intakta under manipulation processen. Detta gör det möjligt att an...

Watch this Scientific Journal Video about Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface at JoVE.com

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

We demonstrate the precise manipulation of individual organic molecules on a metal surface with the tip of a scanning probe microscope driven in 3D by the experimenter's hand using a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles.

Hand Kontrollerad Manipulering av enskilda molekyler via en Scanning Probe mikroskop med en 3D Virtual Reality-gränssnitt

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Research

JoVE Journal

Engineering

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Högupplöst, hög hastighet, tredimensionell video Imaging med Digital Fringe Projection Tekniker

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

Konstruktion av en högupplöst mikroskop med konventionella och holografiskt optiskt fångstmetoder Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-sond Single-elektron kapacitans spektroskopi

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Single Plane Illumination Module and Micro-capillary Approach for a Wide-field Microscope

Enplans Illumination Module och Micro-kapillär Närma sig för ett brett fält mikroskop

A module for light sheet or single plane illumination microscopy (SPIM) is described which is easily adapted to an inverted wide-field microscope and ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Omfattande karakterisering av Extended Defekter i Halvledarmaterial med en svepelektronmikroskop

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si substrat med användning av svepspetsmikroskopi och Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

Scanning SQUID Studie av Vortex Manipulation av Lokalt Kontakt

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual ...

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

All-elektroniska nanosekund-löst Scanning Tunneling Microscopy: Att underlätta utredningen av enda dopämne kostnad Dynamics

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

Ensiffriga Nanometer elektronstråle litografi med en Aberration-korrigerade skanning transmissionselektronmikroskop

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...

A Polymer-based Piezoelectric Vibration Energy Harvester with a 3D Meshed-Core Structure

En Polymer-baserade piezoelektrisk Vibration energi skördare med 3D Meshed-Core struktur

In this study, we fabricated a flexible 3D mesh structure with periodic voids by using a 3D lithography method and applying it to a vibration energy ...