Введение к работе
Изучение структуры и локальных свойств поверхности полимерных материалов и биополимеров является одним из наиболее увлекательных приложений новых методов сканирующей зондовои микроскопии - туннельной и атомно-силовой микроскопии. Как правило, для полимерных материалов и биополимеров характерны низкая механическая жесткость и незначительная электропроводность, что ставит определенные трудности на пути визуализации поверхности этих материалов. Высокое (по сравнению с проводниками и полупроводниками) электрическое сопротивление полимеров и биообъектов препятствует процессу переноса электронов и соответственно визуализации поверхности с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Низкая механическая жесткость биообъектов налагает жесткие требования на минимизацию силового воздействия на образец со стороны зондирующего острия как в сканирующей силовой, так и в туннельной микроскопии. Успешное наблюдение объектов с высоким электрическим сопротивлением и низкой жесткостью поверхности требует оптимизации старых и разработки новых нетрадиционных методов зондовои микроскопии.
При изучении поверхности твердых тел методы зондового анализа поверхности - сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия - продемонстрировали уникальные возможности по наблюдению атомов и молекул, а также осуществлению целенаправленных манипуляций с единичными атомами и молекулами (перемещения по поверхности, удаления, осаждения и пр.).
Применительно к биологическим объектам сканирующая зондовая микроскопия позволяет преодолеть основное ограничение растровой и просвечивающей электронной микроскопии, заключающееся в невозможности изучать непосредственно живые объекты. Электронная микроскопия исследует поверхность, запыленную проводящими материалами, либо поверхность реплик. Исследования в электронном микроскопе осуществляются в условиях вакуума, что также ограничивает круг наблюдаемых объектов и процессов на поверхности объектов. Сканирующая зондовая микроскопия позволяет проводить изучение объектов не только в вакууме, но и на воздухе и в жидких средах.
Цель работы. Основная цель работы заключается в разработке методов и создании аппаратуры зондовои микроскопии для изучения материалов с высоким электрическим сопротивлением и низкой механической жесткостью. Основными задачами, решение которых определяет успешное применение зондовои микроскопии применительно к органическим и биообъектам, являются:
оптимальный выбор субстрата, оказывающего минимальное возмущение на картину наблюдаемого изображения,
определение способа иммобилизации объекта на подложке (субстрате),
выбор наиболее подходящих условий наблюдений (температуры, состава окружающей среды, влажности воздуха и пр.),
- уменьшение аппаратных эффектов и искажений, вносимых
измерительной аппаратурой,
выбор оптимального метода измерений,
адекватная интерпретация и выбор наглядного представления результатов.
Объектом настоящего исследования явились в основном перспективные полимерные материалы и играющие существенную роль во многих процессах в живой природе различные биополимеры.
Актуальность работы. Сканирующая зондовая микроскопия является динамично развивающимся направлением в физике, химии и биологии поверхности. За последние несколько лет появился ряд новых методов зондовой микроскопии, высоко зарекомендовавших себя при изучении полимерных объектов. Среди них следует выделить ультранизкотоковую сканирующую туннельную микроскопию, позволяющую исследовать объекты на проводящих и диэлектрических подложках. В случае диэлектрической подложки проводимость обеспечивается тонкой пленкой адсорбированной воды. Перспективными режимами атомно-силовой микроскопии являются различные резонансные методы измерения профиля и упругих свойств поверхности. Последнее время эти методы интенсивно внедряются в изучение сложных органических и биологических объектов. Открываются перспективы решения фундаментальных и прикладных задач молекулярной диагностики биополимеров, создания новых полимерных материалов с заданными свойствами.
Практическая ценность. Проведенные исследования
продемонстрировали неразрушающий характер исследования поверхности органических и биологических объектов. Показана возможность достижения высокого пространственного разрешения при исследовании структуры полимерных материалов и биополимеров. Атомно-силовая микроскопия позволяет изучать совокупность наномеханических свойств материалов: упругость, трение, пластичность, адгезию, адсорбционную способность. Сканирующая туннельная микроскопия дает новую информацию об электрических и электронных свойствах поверхности, в том числе о процессах переноса заряда в органических тонких пленках и биообъектах.
В результате выполнения работы создана серия оригинальной аппаратуры сканирующей зондовой микроскопии, в том числе, сканирующий туннельный и атомно-силовой микроскопы с субнанометровым пространственным разрешением (соавторы СИ. Васильев, Ю.Н. Моисеев, В.И. Панов, СВ. Савинов). Разработанные микроскопы позволяют визуализировать отдельные атомы на поверхности различных материалов (упорядоченные органические пленки, слоистые материалы, металлы и пр.). Эти конструкции послужили базовой моделью при создании мелкосерийного
производства сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов серии "Скан". Микроскопы серии "Скан" успешно применяются в академических и прикладных научных институтах, учебных заведениях высшей и средней школы. Интенсивные исследования с применением этих приборов осуществляются научными группами на Физическом и Химическом факультетах МГУ им. М.В. Ломоносова, в Ростовском гос. университете, Донецком гос. университете, Физическом институте РАН, Институте общей физики РАН, Санкт-Петербургском электро-техническом университете и других научных центрах.
Закончена практическая разработка принципиально новой конструкции зондового микроскопа на базе цифрового сигнального процессора с цифровой системой автоматического регулирования (соавторы А.В. Степанов, СВ. Савинов). Создано программное обеспечение для перспективных операционных систем Windows 95, Windows NT и OS2 для управления и контроля параметрами зондового микроскопа, построения и обработки экспериментальных данных и трехмерных изображений исследуемых поверхностей (соавтор А.С. Филонов). Программное обеспечение используется при анализе изображений поверхности в Институте биоорганической химии РАН, Институте элементоорганических соединений РАН, на Физическом и Химическом факультетах МГУ.
Разработан ультранизкотоковый сканирующий туннельный микроскоп с регистрацией туннельных токов в пико- и фемто-амперных диапазонах.
Составлен полный библиографический указатель научных работ по методам локального зондирования поверхности (1981-1996).
Научная новизна работы. Разработаны методы иммобилизации и наблюдения с помощью сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопа липидных пленок и структур (липосом). Впервые на примере белка Цитохром Р450 продемонстрирована возможность визуализации белковых молекул, встроенных в липидную мембрану из фосфатид илхолина.
Разработаны методы иммобилизации живых энтеробактерий и визуализации тонкой структуры полимерной стенки бактерий. Впервые обнаружены морфологические изменения наружной поверхности стенки штаммов энтеробактерий, полученных при разработке живых векторных вакцин методом генетического обмена.
Обнаружены процессы самоорганизации и кристаллизации в смешанных органических пленках. Получены прямые результаты пространственной координации смешанных двух- и трехкомпонентных пленок с контролируемой степенью полярности.
Выяснены границы применимости макроскопической модели для описания сил вязкого гидродинамического трения в тонких пленках (до ед. нм) между твердыми поверхностями.
Разработан метод контроля остаточных загрязнений чистых жидкостей методом атомно-силовой микроскопии при избирательной
адсорбции на проводящих и диэлектрических подложках.
Обнаружено появление поверхностных зарядовых сверхструктур в пленках Ленгмюра-Блоджетт жидкокристаллических полимеров.
Методами зондовой микроскопии получена прямая информация о конформационных переходах молекул ДНК при взаимодействии с различными поверхностно-активными веществами в полярных и неполярных жидкостях.
Апробация работы. Основные результаты работ доложены на международных и отечественных конференциях:
SPIE's Technical Symposium on Microelectronic Processing Integration (Santa Clara, USA, 1990):
V.I. Panov, S.V. Savinov, S.I. Vasil'ev, I.V. Yaminsky, Manufacturing issues control in microelectronics by scanning tunneling microscopy;
SPIE Symposium (США, 1990):
Shapiro A.G., Yaminsky I.V., Nondestructive investigations of multilayer dielectrical coating.
Международный симпозиум "Scanning tunneling microscopy (STM'91)" (Интерлакен, Швейцария, 1991):
-
A.A. Belov, I.V. Yaminsky, V.V. Yaminsky, AFM with Capacitance Sensor for Hydrodynamic Studies;
-
S. Savinov, S. Vasil'ev, I. Yaminsky, STM Tip Preparation Using Step Etching;
-
Yu.N. Moiseev, V.Panov, S. Savinov, P. Todua, D. Znamensky, I. Yaminsky, Atomic Force Microscopy of Comb-Like Liquid Crystalline Monolayers.
4. Yu.N. Moiseev, V.I. Panov, S.V. Savinov, S.I. Vasil'ev, I.V.
Yaminsky, AFM and STM Activities at Advanced Technologies Center.
Международная конференция "Scanning tunneling microscopy (Хемнитц, Германия, 1991)":
-
N.S. Maslova, Yu.N. Moiseev, V.I. Panov, S.V. Savinov, S.I. Vasilev, I.V. Yaminsky, Tunneling through Adsorbate and Thin Films, Induced Conductivity;
-
V.V. Yaminsky, I.V. Yaminsky. Hydrodynamic Investigations in Liquid Media.
Международный симпозиум "Nanostructures: Physics and Technology (Санкт-Петербург, 1993)":
A.A. Ejov, S.V. Savinov, I.V. Yaminsky, J. Pan, С Leygraf, D.
Tliierry, Nanoscale modification of oxide semiconductor layer on Ті surface
using electrochemical treatment: Scanning tunneling
microscopy/spectroscopy observation.
УШ Симпозиум no растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 1993):
Moiseev Yu.N., Panov V.I., Savinov S.V., Yaminsky I.V., Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy and Atomic Force Microscopy of Thin Films.
Международная конференция "Nano '2 " (Москва, 1993):
S.V. Savinov, I.V. Yaminsky, STM observation of corrosion processes on Ті, Ni and Fe surfaces.
12th International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations (Chicago, USA):
F. Bordoni, S.V. Savinov, I.V. Yaminsky, V.I. Panov, I.V. Yaminsky, Low frequency noise in scanning tunneling microscopy measurements.
Scanning tunneling microscopy (Пекин, Китай, 1993):
-
Yu.N. Moiseev, V.I. Panov, S.V. Savinov, I.V. Yaminsky, AFM and STM Investigations at Advanced Technologies Center;
-
A.A. Ejov, S.V. Savinov, I.V. Yaminsky, J.Pan, С Leygraf, D. Thierry, STM investigation of corrosion processes on Polished Ті Surfaces.
Nanostructures: Physics and Technology (Санкт-Петербург, 1994):
Tuzov I.V., Demin V.V., Yaminsky I.V., Ex-situ observation of contaminants adsorbed on cleaved mica and graphite in liquid media using atomic force microscopy.
8th International Conference on Surface and Colloid Science (Adelaida, Australia, February 1994):
I.V. Yaminsky, AFM with Capacitative Sensor for Investigation in Liquid Medium.
Микроэлектроника-94 (Звенигород, ноябрь 1994):
А.В. Емельянов, В.В. Протасенко, В.Н. Рябоконь, Н.С. Самсонов, А.В. Степенов, И.В. Яминский, Физическое моделирование процессов считывания в атомарных ЗУ на основе самоорганизующихся упорядоченных структур.
Восьмая международная конференция "Сканирующая туннельная микроскопия/спектроскопия и родственные методы STM'95 (Scanning tunneling Microscopy/Spectroscopy and Related Techniques), 1995, США:
I.V. Yaminsky, L.G.T. Eriksson, P.M. Claesson, J.С Eriksson, AFM and STM Investigation of Organic LB Films.
11-ая международная конференция "Поверхностные силы", 1996, Москва, Россия:
Gadau М., Hietschold М., Yaminsky I.V., Force measurements in scanning tunneling microscopy experiments.
International Conference "Nanomeeting" (Minsk, Belarus, 1995):
-
Stepanov A.V., Yaminsky I.V., The Role of Localized Processes in Tunnel Current Low-Frequency Noise Generation,
-
I.V. Tuzov, I.V. Yaminsky, Ex-situ Observation of Contaminants Absorbed on Cleaved Mica and Graphite in Liquid Media using Atomic Force Microscopy.
-
S.V. Savinov, A.V. Stepanov, I.V. Yaminsky, Fast Data Acquisition System for Local Probe Microscopy and Nanotechnology.
4th European Workshop on Modern Developments and Applications in Microbeam Analysis (St.Malo, France, 1995):
V. Oleshko, R.Gijbels, W. Jacob, I. Yaminsky, V. Panov, M. Alfimov, Combined characterization of nanostructures by means of AEM and STM. Международная конференция "Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии" (Санкт-Петербург, 1996):
1. Е.В. Аплеталина, M.O. Галлямов, Ю.Д. Иванов, О.И.
Киселева, В.Ю. Уваров, И.В. Яминский. Визуализация липосом и
протеолипосом методами сканирующей зондовой микроскопии.
2. М.О. Галлямов, О.А. Пышкина, В.Г. Сергеев, А.Б. Зезин, В.А.
Кабанов, И.В. Яминский. Конформация комплексов ДНК-ПАВ в
водных и органических средах: СТМ-исследование.
Fourth International Conference on Nanometer Scale Science & Technology Nano-IV (Beijing, 1996):
M.O. Gallyamov, V.A. Kabanov, O.A. Pyshkina, V.G. Sergeev, A.B. Zezin, I.V. Yaminsky, Surfactant-induced DNA condensation: STM study.
7th Annual Symposium "Photoinduced Charge Transfer: Reactive Processes in Organized Media (Rochester, NY 14627, USA; June 26-28, 1996):
Yu.D. Ivanov, V.Yu. Uvarov, A.N. Romanov, M.O. Gallyamov, O.I. Kiselyova, I.V. Yaminsky, STM Study of Charge Transfer in Cytochrome P 450 Incorporated in Proteoliposomes.
Седьмой съезд эпидемиологов, микробиологов и паразитологов (Москва, 1997):
Демин В.В., Огнева Л.В., Яминский И.В. Сканирующая зондовая микроскопия в исследованиях структуры поверхности бактериальных клеток.
Международная конференция "Фундаментальные проблемы науки о полимерах' (Москва, 1997):
Яминский И.В., Демин В.В., Бондаренко В.М. Применение сканирующей силовой микроскопии для характеризации полимерной структуры клеточной стенки генетически связанных штаммов энтеробактерий.
Результаты работ доложены на научных семинарах Физического и Химического факультетов МГУ, Института проблем нефти и газа РАН, Университета г. Л'Аквилла (Италия), Института химии поверхности (Стокгольм, Швеция), Австралийского национального университета.
На основании научных материалов диссертации опубликованы обзорные статьи "Сканирующая зондовая микроскопия. Методы и аппаратура" (И.В. Яминский. Российский химический журнал, 1996, том XL, N 1 111-120), "Работы ученых МГУ в области туннельной спектроскопии и наноэлектроники" (И.В. Яминский, Электронная промышленность, 1993, N 10, 25-28), "AFM and STM Activities at Advanced Technologies Center" (Yu. N. Moiseev, V.I. Panov, S.V. Savinov, S.I. Vasil'ev, I.V. Yaminsky, Ultramicroscopy, 42-44, 1596-1601, (1992)). Составлен библиографический указатель по методам сканирующей зондовой микроскопии (6200 ссылок).
Результаты работ отражены в 32 оригинальных статьях в отечественных и зарубежных научных журналах и сборниках, 29 тезисах докладов на научных конференциях.
Похожие диссертации на Сканирующая зондовая микроскопия полимерных материалов и биополимеров
