Нанотехнологии. Использование атомно-силового микроскопа в процессе исследования микробиоценоза в дистиллированной воде

Министерство науки и образования РФ

Муниципальное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 43 г. Иваново

Проектная работа по теме:

«Нанотехнологии. Использование АСМ в процессе исследования микробиоценоза в дистиллированной воде»

Проект подготовил: Панин Кирилл Сергеевич,

учащийся 9 -А класса

Дата рождения:

Паспортные данные:

Руководитель проекта:

преподаватель физики МУСОШ № 43

Жукова Ольга Николаевна

Иваново 2008

Содержание

Введение

Глава 1. Нанотехнологии

1.1 История возникновения нанотехнологий

1.2 Применение нанотехнологий в медицине

1.3 Молекулярная нанотехнология

Глава 2. Атомно-силовой микроскоп

2.1 АСМ. Принципы работы АСМ

2.2 Преимущества и недостатки АСМ перед СТМ

Глава 3. Исследовательская часть

3.1 Использование сканирующей зондовой микроскопии для исследования

микробиоценозов в дистиллированной воде

3.2 Интервью преподавателя ИВГУ Железнова А.Г

Заключение

Литература

Приложения

Введение

В последнее время мы часто читаем и слышим слово нанотехнологии в средствах массовой информации. Также появилось много рекламы, предлагающей купить что-нибудь с приставкой «нано…». А что это такое? Мы хорошо знаем, что сантиметр - сотая доля метра, миллиметр - тысячная. А нано - просто обозначает миллиардную долю чего-либо. Нанометр - миллиардная часть метра.

Технология (от греч. Technё - искусство, мастерство, умение и …логия) - совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции. Задача технологии как науки - выявление физических, химических, механических и других закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов. Это определение из словаря тоже понятно.

Появившиеся нанотехнологии дают возможность собирать под контролем физических методов наблюдения кристаллы нужных свойств из отдельных атомов, как из деталей конструктора. То есть видеть и перемещать отдельные атомы размером в одну миллиардную долю метра. Отсюда и название - нанотехнологии.

Тема моей работы: «Нанотехнологии. Использование АСМ в процессе исследования микробиоценоза в дистиллированной воде».

Нанотехнологии исследуются на молекулярном уровне. Атомно-Силовой метод позволяет увеличить изучаемый объект в миллиарды раз. Обычным микроскопам это не подвластно.

Цель данной работы: ознакомление с нанотехнологиями, с их применениями и возможностями.

Из цели работ вытекают следующие задачи:

· Показать применение нанотехнологий

· Изучение устройства и применение работы АСМ

· Показать использование сканирующей зондовой микроскопии для исследования микробиоценозов в дистиллированной воде.

Для изучения данной темы мною была использована следующая литература:

Г.Бинниг, Г.Рорер. Сканирующая туннельная микроскопия -- от рождения к юности -- Нобелевские лекции по физике - 1996. УФН,

Хоулт Дж., Криг Н., П. Снит, Дж. Стейли, С. Уильямс. // Определитель бактерий Берджи. М.:Мир, 1997.

Работа состоит из трех глав и заключения. В первой главе даются общие сведения о нанотехнологии. Во второй главе рассказывается об атомно-силовом методе. Третья глава содержит исследовательскую работу использование СЗМ для исследования микробиоценозов в дистиллированной воде. В заключение работы сделаны соответствующие выводы, подведены итоги, касающиеся основной части.

Глава 1. Нанотехнологии

1.1 История возникновения нанотехнологий

Нанотехнология -- междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Нанотехнологии - это технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи. Название происходит от слова "нанометр" - миллионная часть метра.

Нанотехнологии обеспечивают возможность создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, принципиально нового качества. Ценность таких систем состоит в том, что возможна их интеграция в полноценно функционирующие системы макромасштаба. Историк науки Ричард Букер отмечает, что историю нанотехнологий создать крайне сложно по двум причинам - во-первых, "размытости" самого этого понятия. Например, нанотехнологии часто не являются "технологиями" в привычном смысле этого слова. Во-вторых, человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже и не подозревая об этом. Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году ирландский химик Роберт Бойл опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов - воды, земли, огня и воздуха (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойл утверждал, что все состоит из "корпускулов" - сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Впоследствии идеи Демокрита и Бойла были приняты научным сообществом. Вероятно, впервые в современной истории нанотехнологический прорыв был достигнут американским изобретателем Джорджем Истмэном, который изготовил фотопленку (это произошло в 1883 году).

1905 год швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

В 1931 год немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1968 год Альфред Чо\Alfred Cho и Джон Артур\John Arthur, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей. 1974 год японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает "гном", им обозначают биллионные части целого. В 1981 год германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы. 1985 год американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр 1989год Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1.2 Применение нанотехнологий в медицине

В своей работе я остановлюсь на применении нанотехнологий в медицине. История современной медицины - это бег от большого к малому. Многие диагностические аппараты из громыхающих «монстров» постепенно превратились в элегантные чемоданчики. Довольно объемные мензурки с микстурами и капельницы эволюционировали до крошечных таблеток, подкожных резервуаров с лекарствами или даже пластырей. Устрашающие взгляд полостные операции заменили крошечные проколы, сквозь которые хирурги манипулируют под взглядом видеокамеры. Но нет предела совершенству. Многие болезни начинаются с изменений в считанных клетках человеческого тела, а болезнетворные бактерии и вирусы тоже вещества микроскопические. Поэтому медицина дерзко мечтает лечить болезнь там, где она возникает, - в клетке. А воплотить эти мечты можно только с помощью нанотехнологий - манипуляций на уровне молекул, атомов и искусственных конструкций тех же размеров. Представить их невозможно, поскольку человеческому глазу сравнить их не с чем. Однако мы знаем, что 1 нанометр - это миллиардная доля метра. Представим, что мы с вами ростом в 1 нанометр.

Тогда земная дистанция всего в один метр превратилась бы для нас в 1 миллиард метров (т.е. 1 млн км), или примерно в кратчайший путь до Луны (356 тыс. км), повторенный три раза. То есть с Луны мы бы с вами уже не вернулись. Вот так же кружит голову и попытка представить себе эти загадочные нанометры. Мысль о применении микроскопических устройств в медицине впервые была высказана в 1959 году знаменитым американским физиком Ричардом Фейнманом в нашумевшей лекции «Там, внизу, много места».

Он описал микроробота, который сможет проникать через сосуд в сердце и выполнять там операцию по исправлению клапана. С точки зрения медицины, в большинстве случаев говорят о нано-роботах - дестракторах (уничтожителях). Если запустить таковых в человеческое тело и запрограммировать определенным способом, то можно без труда выделять и уничтожать вирусы и другие ненужные элементы. Что же нанотехнологии сулят медицине?

Они смогут создавать:

· наноматериалы с заданными свойствами - наночастицы (фуллерены и дендримеры);

· микро- и нанокапсулы, например, с лекарствами внутри;

· нанотехнологические сенсоры и анализаторы, наноинструменты и наноманипуляторы;

· кроме нанороботов автоматические наноустройства.

Фуллерен - это пятая (кроме алмаза, графита, карбина и угля) форма углерода, которую сначала предсказали теоретически, а потом открыли в природе. По виду молекула фуллерена (С60) похожа на футбольный мяч, сшитый из пятиугольников и шестиугольников. Медицине же фуллерены интересны тем, что могут пролезать в молекулу ДНК, искривлять и даже «расплетать» ее.

Дендримеры - это древовидные полимеры (длинные молекулы, состоящие из повторяющихся одинаковых элементов). Они способны доставлять прицепленные к ним лекарства прямо в клетки, например, раковые. Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron - дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, и называются дендримерами. В диаметре каждая такая сфера, или наносенсор, достигает всего 5 нанометров - 5 миллиардных частей метра, что позволяет разместить на небольшом участке пространства миллиарды подобных наносенсоров. Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты - белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды - простуду или воздействие радиации, к примеру, - белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет флуоресцировать или светиться. Чтобы увидеть это свечение, д-р Бэйкер и его коллеги собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобится 15-секундное сканирование, заявляют ученые.

По словам Бэйкера, его команда работала над подобной технологией выявления раковых клеток, однако для завершения исследования пока еще далеко. Экспериментируя с фуллеренами и дендримерами, сейчас во многих странах ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т.п. Микрокапсулы с нанопорами могут послужить больным диабетом 1-го типа - они смогут доставить в организм человека клетки поджелудочной железы животного и вовремя выделять инсулин, при этом оставаясь невидимыми для иммунной системы человека.

Искусственно сконструированная клетка-респироцит сможет заменить недостающие в крови эритроциты - она умеет переносить и кислород, и углекислый газ. При этом взвеси респироцитов понадобится в сотни раз меньше, чем препаратов донорской крови или кровезаменителей.

Как утверждают ученые из университета штата Мичиган, настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появлении первых признаков радиационной угрозы или развития болезни. У российской науки есть и свои рекорды на обширном поле нанотехнологий. Так, мы - явные лидеры в изучении и применении наночастиц металлов в медицине. На научной конференции «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины», которая прошла в конце прошлого года в Новосибирске, чуть не 90% докладов посвящались золоту, серебру, цинку, висмуту и различным комбинациям полимеров, сорбентов и т.п.Однако наши ученые выяснили, что если серебро и прочие металлы превратить в наночастицы, эти свойства резко возрастают. И доказали это на многочисленных клинических исследованиях. Ожоги, огнестрельные раны, переломы, кожные, гинекологические и прочие воспаления/раны заживают значительно быстрее и эффективнее. Наши ученые создали десятки препаратов, основанных на спасительных свойствах этих металлов.

Второе направление, на котором мы могли бы лидировать в мире, - создание биочипов. Чип - это маленькая пластинка, на поверхности которой размещены рецепторы к различным веществам - белкам, токсинам, аминокислотам и т.п. Достаточно капнуть на чип крошечную каплю плазмы, крови или другой биологической жидкости, как «родственные» молекулы прикрепятся к рецепторам, а потом прибор-анализатор считывает информацию. Биочипы, созданные в Институте молекулярной биологии имени Энгельгардта РАН под руководством академика Андрея Мирзабекова, уже умеют практически мгновенно выявлять возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку и т.п. Причем наши биочипы оказались намного дешевле и удачнее, чем изготовленные в США. Однако внедрение этой новейшей технологии в практическую медицину идет гораздо медленнее, чем хотелось бы.

Нанотехнологиями сегодня активно занимаются примерно в 50 странах. Лидируют США, Япония, Южная Корея, ФРГ. Россия занимает место во второй десятке. Но по числу публикаций по нанотематике мы на почетном 8-м месте.

1.3 «Молекулярная нанотехнология»

Недавно возникшее научное направление, которое называется “молекулярная нанотехнология”, открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром, которые порождают огромное количество проблем философского характера. Не завершит ли цивилизация свой путь под ударом нового оружия? Не взбунтуется ли природа против людей? Как будет эволюционировать человек, как вид? Станет ли он бессмертным? - эти несколько вопросов в ряду других возникают, если представить себе возможности молекулярной нанотехнологии. К сожалению, пока не существует широко известных чисто философских работ, посвящённых этому новому научно-техническому направлению. Отсутствие таких работ, по-видимому, связано с малой известностью для широкого круга людей возможностей молекулярной нанотехнологии. Перспективы развития и проблемы молекулярной нанотехнологии. Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается раздел молекулярной нанотехнологии. Слово “нанотехнология” указывает на то, что характерные пространственные размеры процессов, протекающих под управлением молекулярных машин, равны нескольким нанометрам, то есть нескольким десяткам характерных размеров атома. Если размеры тел малы, то законы “здравого смысла” начинают давать сбои и вступают в силу законы квантовой механики, часто приводящие к “идеальному” поведению системы. Например, исчезает трение в макроскопическом смысле слова, детали абсолютно не изнашиваются, от машины не может “отколоться кусочек” меньше одного атома, две одинаковые машины в одном состоянии абсолютно идентичны, так, что их невозможно различить даже мысленно. Один грамм наномашин, каждая размером около 10 нанометров, может содержать 10¹⁹ штук, причём их детали могут совершать более 10¹² циклических перемещений в секунду. Возможно, поэтому Станислав Лем назвал молекулярные машины шустрами. Наномашины могут работать с отдельными атомами и даже электронами, расщепляя одни молекулы и синтезируя новые. Таким образом, при использовании молекулярной нанотехнологии открываются следующие возможности: 1. Изучение микромира на новом уровне. Исследователь сможет видеть и манипулировать отдельными атомами и молекулами, в том числе и с помощью техники виртуальной реальности с обратной связью, дающей возможность ощущать атомы и молекулы в руках в виде упругих сгустков больших размеров. Практически мгновенно можно будет исследовать микроструктуру любого материала, и сделать химический анализ любого вещества. 2.Обработка информации. Вычислительная мощность компьютеров возрастёт на много порядков. Компьютеры смогут воспринимать и выдавать информацию в любом материальном виде. Существование мощной обратной связи между информационными системами и внешним миром, а также развитие нанонейросетей неизбежно приведёт к возникновению искусственного интеллекта.
Станет возможным сбор рассеянной в окружающей среде информации и восстановление прошедших событий. 3.Производство объектов. Изготовление объекта, будь-то кристалл алмаза, стальной шарик, сапоги, компьютер, кусок хлеба, куриное яйцо (сырое) или человек Вася Иванов в 17.45 года от рождения, принципиально не будет ничем отличаться. Самое сложное - это спроектировать производство объекта, то есть создать всю необходимую информацию о том, как из груды мусора, содержащей необходимые элементы в нужном количестве (ядерный синтез наномашинам будет не под силу), построить объект. После этого производство не будет требовать никаких затрат, кроме подвода энергии, мусора и откачки энтропии в виде тепла. При этом спроектировать производство кристалла алмаза несравненно легче, чем куска хлеба, так как кристалл алмаза содержит ничтожно мало информации по сравнению с куском хлеба. А спроектировать производство взрослого человека ещё намного сложнее, но даже это не кажется невозможной задачей. При таком способе производства исчезнет промышленность и сельское хозяйство. Чтобы получить нужную вещь достаточно будет дать указание персональному компьютеру материализовать объект из его обширной памяти или из мировых ресурсов памяти.

4.Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, противостоящими искусственно вызванным и естественным нежелательным процессам, текущим в природе, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Сбор рассеянных элементов в земной коре и даже из космоса. Например, добыча золота или трития (если тогда будут нужны термоядерные электростанции).

5.“Облагораживание среды”. Разумная среда обитания. За счет внедрения логически действующих наномашин во все тела окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека.

6.Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его наномашинами. Направленное переизлучение фотонов будет служить для наномашин хорошей “точкой опоры” в космосе, так что они смогут разгоняться под солнечным излучением до релятивистских скоростей. Огромная армия наномашин подготовит космическое пространство для заселения его человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, астероидов, солнечного ветра) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов. С появлением возможности ускорения наномашин до релятивистских скоростей звёзды перестанут быть недосягаемыми объектами. Так начнётся экспансия человека в космос. Тогда возникают вопросы о применении молекулярной нанотехнологии в военных целях и бессмертии человека. Рассмотрим подробнее эти проблемы. 7.Оружие. Оружие, которое могут придумать люди на основе молекулярных нанотехнологий, можно сравнить с ядерным, как длительную смерть под пытками с обезглавливанием на гильотине. Безусловно, если забыть об этом, то государства тотчас, когда поймут, что может дать нанотехнология, создадут институты, где будет в секрете от “врага” разрабатываться нанотехнологическое оружие. И страх от мысли использования такого оружия многих не остановит, если даже сейчас некоторые люди предлагают нанести ядерный удар по NATO в ответ на бомбардировки Косово. Эдуард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия». Мы полагаем, что нужно опасаться такого хода мыслей. Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем, исключающем создание оружия. По нашему мнению возможен следующий вариант. Нужно заключить всемирный договор о неразработке и уничтожении информации о любом виде оружия. Молекулярные нанотехнологии, которые могут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциалом созидания, чем разрушения. В этом их отличие, скажем, от ядерной энергии, неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смысле прорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеет гораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где оно обычно работает лишь косвенно. 8. Бессмертие человека. Развитие молекулярной нанотехнологии даст возможность тщательно изучить процессы, протекающие внутри клеток организма. Есть большие основания полагать, что точное знание того, как функционируют клетки, позволит создать наномашины ликвидирующие негативные изменения происходящие в клетках и тканях живого организма с течением времени. Возможно, удастся переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить» старение и улучшить генетические параметры организма. Тогда функции регулирующих наномашин возьмут на себя органеллы клетки. Переделка человеческого организма с целью излечения от болезней и увеличения продолжительности жизни с помощью молекулярных нанотехнологий будет возможна в достаточно отдалённом будущем (хотя, по оптимистическим прогнозам это произойдёт в конце следующего века). Но даже для ныне живущих людей есть возможность стать такими долгожителями. Этот шанс предоставляет крионика - замораживание организма до сверхнизких температур после клинической смерти. Правда, это могут себе позволить лишь достаточно богатые и смелые люди. Ведь когда появится возможность разморозить и вылечить человека, скорее всего, никого из его родственников и знакомых, не разделивших его участь, не будет в живых. Плюс к тому нет существенной гарантии что тело будет правильно разморожено и будет соблюдён вес техпроцесс. На сегодня ни того не другого не разработано. Психологический аспект проблемы «размороженного» человека рассматривался во множестве различных произведений, от научно-фантастических до философских.

Глава 2. Атомно-силовой микроскоп

2.1 АСМ. Принципы работы АСМ

Атомно-силовой микроскоп-- сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Вандер Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали. Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом и Кристофом Гербером в США. Атомно-силовой микроскоп применяется для снятия профиля поверхности и для изменения её рельефа, а также для манипулирования микроскопическими объектами на поверхности.

Принцип работы

АСМ представляет собой систему образец, игла. На малых расстояниях между двумя атомами, один на подложке, другой на острие, при расстоянии около одного ангстрема действуют силы отталкивания, а на больших -- силы притяжения. Величина этого усилия экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Отклонения зонда при действии близко расположенных атомов регистрируются при помощи измерителя наноперемещений, в частности используют оптические, ёмкостные или туннельные сенсоры. Добавив к этой системе устройство развёртки по осям X и Y, получают сканирующий АСМ.

Основные технические сложности при создании микроскопа:

· Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров.

· Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

· Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.

· Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.

· Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.

Атомный силовой микроскоп

1986 года тот же Бинниг предложил конструкцию прибора нового поколения, который тоже позволяет исследовать поверхности с беспрецедентной детальностью, но уже вовсе не обязательно электропроводящие. Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом, и сегодня именно он представляет наибольший интерес для исследователей.

Принцип действия АСМ основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами (около одного ангстрема, 1 ? = 10-⁸ см) действуют силы отталкивания, а на больших - силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе используется алмазная игла, которая плавно скользит над поверхностью образца (как говорят, сканирует эту поверхность). При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка П, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрируется датчиком D. В качестве датчика в АСМ могут использоваться любые особо точные и чувствительные - прецизионные - измерители перемещений, например оптические, емкостные или туннельные датчики. На рисунке показан именно последний тип датчика, - фактически это такая же игла, какая применяется в сканирующем туннельном микроскопе. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о высоте рельефа - топографии поверхности и, кроме того, об особенностях межатомных взаимодействий. Можно сказать, что в атомном силовом микроскопе сканирование исследуемого образца происходит по «поверхности постоянной силы», тогда как в СТМ - по поверхности постоянного туннельного тока. Принципы же прецизионного управления, основанного на обратной связи и улавливающего самые ничтожные изменения рельефа поверхности, в СТМ и АСМ практически одинаковы.

На рисунке изображена схема атомного силового микроскопа. О - острие (игла), П - пружина, на которой оно закреплено; P, Px, Py, Pz - пьезоэлектрические преобразователи. При этом Px и Py служат для сканирования образца под иглой, а Pz управляет расстоянием от острия до поверхности, D - туннельный датчик, который регистрирует отклонения пружинки с острием. Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения микрорельефа поверхности любых веществ, как проводящих, так и непроводящих, с его помощью можно наблюдать всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например, дислокации или заряженные дефекты, а также всяческие примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков в кристалле, в частности доменов. В последнее время с помощью атомного силового микроскопа физики стали интенсивно изучать биологические объекты, например молекулы ДНК и другие макромолекулы, главным образом для целей нарождающегося и, судя по всему, чрезвычайно перспективного направления - биомолекулярной технологии. Интересно, что АСМ позволяет решать не только прикладные задачи, но и глобальные проблемы фундаментальной физики. В частности, определив с его помощью поведение межатомных сил и константы взаимодействий между атомами поверхности и острия, можно сделать довольно точные заключения о существовании или отсутствии новых фундаментальных взаимодействий и даже о структуре физического вакуума.

2.2 Преимущества и недостатки АСМ перед СТМ

Атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. АСМ способен дать большую информацию. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом. К недостатку АСМ следует отнести небольшой размер поля сканирования. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150Ч150 микронІ. Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении. Обычный АСМ не в состоянии сканировать изображения быстро. Для получения АСМ-скана, как правило, требуется несколько минут, в то время. Достаточно медленная скорость развёртки АСМ часто приводит к появлению на изображении искажений, вызываемых тепловым дрейфом ограничивая тем самым возможности микроскопа при точном измерении элементов сканируемого рельефа. Однако было предложено несколько быстродействующих конструкций, чтобы увеличить производительность сканирования микроскопа включая зондовый микроскоп, который был впоследствии назван видео АСМ. Для коррекции искажений от термодрейфа было также предложено несколько методов Изображения, полученные на АСМ, могут быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера, а также перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z элементами сканера, что может потребовать программной коррекции. Современные АСМ используют программное обеспечение, которое вносит исправления в реальном масштабе времени, либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, которые практически устраняют данные проблемы. Некоторые АСМ вместо пьезотрубки используют XY и Z элементы сканера механически несвязанные друг с другом, что также позволяет исключить часть паразитных связей. АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке.

Глава 3. Исследовательская часть

3.1 Использование сканирующей зондовой микроскопии для исследования микробиоценозов в дистиллированной воде

Подготовка материалов к выполнению опыта:

Пробы воды наливают в чашки Петри, на дно которых предварительно

помещают чистые обезжиренные покровные стекла, экспозиция 1 - 2 недели. Чашки Петри закрывают и инкубируют при температуре от 17 до 22 С°. Затем стекла вынимают, аккуратно промывают (несколько раз опуская препарат в стакан с дистиллированной водой) и высушивают. Затем проводят обзорные сканирования в нескольких участках препарата, поскольку микробиота воды отличается чрезвычайным разнообразием.

I. Дистиллированная вода. На Рис. А, Рис. Б представлены обзорные

сканированные изображения препаратов, полученных из дистиллированной воды при инкубации в течение 1 и 2 недель. По сравнению со стеклами, инкубированными в проточной воде, покровные стекла получились достаточно “чистыми”, отмечались локальные скопления микроорганизмов.

Получив несколько обзорных сканированных изображений, мы заметили,

1. в препаратах из дистиллированной воды встречаются микроорганизмы:

- микроорганизмы палочковидной формы с выростом;

- кольцеобразные микроорганизмы, лежащие цепочками;

- отдельно лежащие клетки правильной палочковидной формы;

- вытянутые микроорганизмы спиралевидной формы.

Мы уменьшили размер области сканирования и просканировали

интересующих нас микроорганизмов (таблица 1), после чего, инструменты программы NanoEducator определили размеры клеток: табл. 1



№	СЗМ-изображение	Форма	Средний размер микроорганизма
1		микроорганизмы палочковидной формы со слегка изогнутым выростом, плавно сужающимся и с «почкой» на конце	Вся клетка 0.8 Ч7.5 мкм диаметр простеки 450 мкм
2		кольцеобразные микроорганизмы лежащие цепочками	От 1.3 до 1.6 мкм
3		отдельно лежащие клетки правильной палочковидной формы	0.8 Ч 2 мкм
4		вытянутые микроорганизмы спиралевидной формы	0.5 Ч 13 мкм

Найденная в дистиллированной воде микробиота, представлена преимущественно бактериальными формами.

Для определения групповой и видовой принадлежности бактерий мы использовали определитель Берджи. Поскольку с помощью сканирующего зондового микроскопа можно увидеть уникальные морфологические структуры бактерий и точно определить их размеры, то в классификации мы опирались преимущественно на бактериальную морфологию (форму и размеры бактерий). Кроме того, учитывалась среда обитания микроорганизмов и температурный режим (вода, бедная органическими соединениями, и температура от 17 до 22°С).

На основании этих критериев получены следующие результаты:

1. Бактерии палочковидной формы с выростом, оканчивающимся «почкой». По форме эти клетки относятся в 13 группу “Почкующиеся или обладающие выростами бактерии”. Бактерии хорошо растут на среде, содержащей . 0.1 %органического вещества. Температура роста от 1 до 40°С. Обнаруживаются в воде, почве и сточных водах. У бактерии довольно интересная морфология (рис. А)

Рис. А. Рельеф поверхности

Для более подробного исследования структуры поверхности бактериальной клетки мы применили метод отображения фазового контраста. На фазово- контрастном изображении четко видно, что структура клеточной стенки является неоднородной.

Рис. Б. Морфологические особенности клеточной стенки, выявленные при использовании метода отображения фазового контраста

2. Микроорганизмы, изогнутые и замкнутые в характерные кольца, образующие цепочки по форме тела и диаметру завитка относятся к группе 3

“Неподвижные грамотрицательные изогнутые бактерии”. Для более точной идентификации требуется применение дополнительных методов, например, биохимических тестов.

3. В результате исследований выявлены как уникальные для водной среды микроорганизмы, так и бактерии, встречающиеся в других средах обитания, например, входящие в состав нормальной микрофлоры человека или почвенные сапрофиты. Интересным примером является бактерия

4. Вытянутые микроорганизмы спиралевидной формы относятся к группе “Спирохет”. Верхним покровом спиралевидной клетки служит многослойная наружная мембрана, покрывающая протоплазматический цилиндр - цитоплазму с ядерной оболочкой, окруженную цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой.

Исходя из формы и размера клетки, найденный микроогранизм можно причислись к спиралевидным клеткам диаметром 0.2 . 0.75 мкм и длиной 5 .250 мкм, обитающим в водных средах.

Сравнивая дистиллированную воду и водопроводную можно сделать вывод, что в водопроводной воде кроме тех бактерий, которые содержаться в дистиллированной существуют: длинные вытянутые палочки, короткие ровные палочки с закругленными концами.

3.2 Интервью преподавателя кафедры теоретической физики математического и компьютерного моделирования Железнова Антона Геннадьевича

Цель проведения интервью: более подробно познакомиться с работой нанометра и узнать о его возможностях.

Вопрос № 1. В каком состоянии должен быть вещество (кристаллическом, жидком, твердом) для того чтобы можно было исследовать поверхность? - Тело может иметь любое состояние, даже в амфорном состоянии.

Вопрос №2. Каким способом идет обработка информации после получения изображения поверхности? - Есть специальная программа NANOEDUCATOR . Она используется для получения и обработки информации электрический сигнал. Программа позволяет делать с изображением разные манипуляции.

Вопрос № 3. Какую информацию можно получить при изучении поверхности вещества о составе и структуре т.д.? - Прибор позволяет получить: 1-изображение поверхности; 2- просмотреть шероховатость структуры;3-просмотреть максимальную высоту рельефа, среднее значение рельефа от какого выбранного начального положения

Вопрос № 4. Какие возможности имеет данный нанометр? - Нанометр работает в двух режимах: атомно- силовой микроскоп (АСМ) и

туннельный микроскоп. АСМ может сканировать любые образцы, а туннельный микроском может сканировать только проводники.

Вопрос № 5. Какой из методов АСМ или Туннельный микроскоп дает больше информации? - Об этом говорить нельзя т.к. туннельный методом может сканировать только проводники, а АСМ может сканировать любые образцы.

Заключение

В заключении работы необходимо сделать следующие выводы.

Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Нанотехнология помогает увидеть то, что мы бы не смогли увидеть под микроскоп и невооруженным глазом.

Применение нанотехнологий огромно: медицина, металлургия, вооружение, строительство - все это в себя включает нанотехнологии.

Существует несколько методов изучения поверхности: Туннельный метод и АСМ. Я основываюсь на выборе АСМ. АСМ - это сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности.

При изучении нано структуры дистиллированной воды под нано-микроскопом можно сделать следующие выводы:

- В дистиллированной воде встречаются микроорганизмы;

- В дистиллированной воде есть кольцеобразные микроорганизмы,

лежащие цепочками;

- В дистиллированной воде есть отдельно лежащие клетки правильной

палочковидной формы;

- В дистиллированной воде есть вытянутые микроорганизмы спиралевидной формы.

При анализе водопроводной воды видно, что в ней содержится длинные вытянутые палочки, короткие ровные палочки с закругленными концами, т.е. ряд микроорганизмов, которых нет в дистиллированной воде.

Я считаю, что применение нанотехнологий надо развивать и в будущем, и в настоящем времени, т.к. многие ученые, зная безграничные возможности, видят в этом то, что они смогут лечить людей с такими заболеваниями как: рак, СПИД и т.п. Сделать человека бессмертным.

Нанотехнологии - самая популярная сейчас тема, когда речь заходит о том, каким может оказаться наше будущее. Мало кто понимает, что такое нанотехнологии, но все знают, что без них жить нельзя. При бюджете Российской академии наук в 20 млрд руб. государство на ближайшие годы выделило на нанотехнологии 200 млрд руб. Впервые финансирование научной программы в России сопоставимо с затратами ведущих стран.

Литература

1. - Г. Бинниг, Г. Рорер. Сканирующая туннельная микроскопия -- от рождения к юности -- Нобелевские лекции по физике - 1996. УФН,

2. - Хоулт Дж., Криг Н., П. Снит, Дж. Стейли, С. Уильямс. // Определитель бактерий Берджи. М.:Мир, 1997.