Представим себе такую задачу. Девочка Маша качается на качелях. Она раскачивает качели ритмичными толчками с постоянной силой (как только может). В результате качели отклоняются на амплитуду А и имеют частоту движения ω. В какой-то момент к Маше на качели подсаживается соседский мальчик Петя. Петя – мальчик упитанный и весьма ленивый. Он не раскачивает качели, а просто сидит на них. Раскачивает одна Маша. Вопрос: изменятся ли амплитуда и частота движения качелей? Очевидно, ответ – да, изменятся, причем степень изменения будет зависеть от массы мальчика Пети.
Именно на таком принципе основана работа нового устройства – кварцевых микровесов. Кварцевая пластина, установленная на дне герметичной камеры, колеблется в поперечном направлении. Колебания вызываются электродами по краям пластины, к которым прикладывается переменное напряжение (кварц – пьезоэлектрик). Параметры колебаний регистрируются специальными датчиками. Если на пластину осаждаются молекулы, то параметры колебаний изменятся. Существуют хорошие модели, которые позволяют пересчитать изменение частоты в изменение массы.
Сам принцип – измерения массы с помощью колеблющейся системы – не нов. Например идея использовать балку АСМ зонда (кантилевер) в качестве «весов» родилась в конце 70х годов, почти одновременно с рождением самого атомно-силового микроскопа. С тех пор так и не было создано ни одной надежной коммерческой системы, способной конкурировать с альтернативными методами идентификации единичных молекул. Так, предлагалось использовать кантилевер для создания тест систем по идентификации антигенов. Однако, связывание единичных молекул иммуноглобулинов по-прежнему надежнее и дешевле определять методами иммуноферментного анализа, современные модификации ИФА это вполне позволяют. Напротив, кварцевые микровесы (в английской литературе QCM – quarts crystal microbalances) прижились и сегодня существует множество разновидностей коммерческих устройств на этом принципе. Дело в том, что использование относительно крупной пластины в качестве подложки (рис. 1) дает возможность исследовать не только процессы сорбции-десорбции молекул, но также изучать свойства пленок, регистрировать изменения структуры гелей (которые будут по-разному рассеивать колебательную энергию подложки) и многое другое.
Уникальность новой разработки НТ-МДТ состоит в том, что устройство для «взвешивания» молекул интегрировано со сканирующим зондовым микроскопом (рис. 2). Это принципиально расширяет возможности исследователя. С помощью микровесов он (или она) может зарегистрировать изменение массы на подложке или изменение свойств прикрепленной к подложке пленки. Из-за чего меняется масса? Что при этом происходит с морфологией образца в масштабе нанометров? Все это можно исследовать в растворе, состав которого можно контролируемо менять в ходе эксперимента, поддерживать нужный газовый состав в камере и т.д.
В качестве примера можно привести такой модельный эксперимент. Известно, что наночастицы оксида гафния способны обратимо сорбировать молекулы аммиака. На рис. 3 показан график изменения массы пленки с наночастицами HfO2 при напускании в камеру аммиака. При продувании камеры азотом (что должно приводить к десорбции), масса пленки уменьшается. Профиль поверхности на АСМ изображении показывает, что при сорбции аммиака морфология наночастиц меняется. Подробно этот эксперимент описан здесь.
, (полезная статья, я так сразу, "по старой английской традиции, за чашкой чая", посчитал период маятника высотой с пирамиду Хеопса - получается, что они давно знали, что есть кратное часу время?)
