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低频隔振技术稳定了STM在纳米材料领域的研究
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普渡大学化学系Claridge研究组选择负刚度隔振技术为其纳米级研究提供稳定性，该研究采用扫描隧道显微镜（STM）进行。STM结合了微波频率偏置调制，用于从蛋白质和其他复杂分子中提取结构信息，以优化纳米材料的性能并更好地理解膜蛋白结构。 在纳米尺度上对分子、材料和界面进行成像是纳米科学面临的一个挑战。在这些尺度上精确控制和表征界面结构可能非常困难。有机-无机界面是决定纳米材料光电性能和纳米器件性能的关键因素，也是决定跨膜蛋白质结构的关键因素。此外，层状材料通常需要采用非共价功能化策略，这使得界面的详细化学表征变得更加复杂。 Claridge研究小组 普渡大学化学系Claridge研究小组一直致力于研究和开发新的集成成像策略，以探索纳米尺度上界面有序复杂性和结构分析的极限，解决从优化纳米材料性能到理解膜蛋白结构等多方面的挑战。 该研究团队使用了多种纳米尺度的分析技术，这些技术不仅在实验室内部使用，也在部门的分析仪器中心以及普渡大学的Birck纳米技术中心进行。这些技术包括扫描探针显微术（如原子力显微镜和扫描隧道显微镜）、先进的表面分析方法（如偏振调制红外反射吸收光谱）以及大规模分子建模。 利用这些仪器技术，该研究小组的研究集中在关键的纳米结构上，包括： a) 在5–10nm尺度上对表面化学进行图案化处理——以实现与细胞膜的精确可控相互作用、提高有机光伏器件中激子的有效分离效率，以及构建分子电路，使其功能复杂性能够媲美生物学系统。 b) 开发定制的纳米尺度表面分析仪器——以实现分子尺度上的化学成像和表征在亲水-疏水平衡界面上发生的动态过程，这些界面与纳米材料和生物学相关。 c) 生物分析技术的非传统应用——包括表征纳米尺度上的各向异性润湿现象，这些现象类似于生物系统中的水和离子传输过程。 d) 将分子建模与先进的界面表征技术相结合——开发对非共价组装界面的详细预测性理解，特别是那些由具有重要技术应用的层状材料（如石墨烯）组成的界面。 图1 在高度取向热解石墨（HOPG）上成像的二炔磷脂醇胺两亲分子（dPE） 成像肽内的纳米级生物单层和双层结构 Claridge研究小组还开展了关于新型可聚合两亲分子（如肽和其他分子）的合成研究，这些分子对层状材料的非共价功能化非常有用。 两亲分子是具有亲水性和疏水性两种性质的化学化合物，是化学和生物化学多个研究领域的重要基础。肽类两亲分子是以肽为基础的分子，能够自组装成高长宽比的纳米纤维，并且可以组合成各种超分子结构。 “我们小组使用扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）来成像小的生物单层和双层结构，通常是在肽内，肽是构成蛋白质的核心组件，” Claridge研究小组的大卫·G·麦克米伦说。“这些结构尚未被充分理解。我们试图更好地了解这些结构的实际化学组成和行为，在大约7到14nm的尺度上，这些物质很难结晶，因此很难获得它们的晶体学数据，而晶体学数据通常是用于表征如此小尺度结构的主要方法。” “我们小组的一个主要研究方向是设计定制的扫描探针仪器，以在亚纳米尺度上提供单分子内的结构分辨率，”麦克米伦补充道。“这尤其适用于我们自制的STM。通过在隧道结处引入偏压调制和其他定制模式，我们可以从与分子电子学和人类健康相关的蛋白质和其他复杂分子中提取结构信息。” 扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜基于量子隧穿的概念。当导电的探针非常接近被检测的表面时，施加在两者之间的偏压（电压差）可以使电子通过它们之间的真空隧穿。隧穿电流取决于探针的位置、施加的电压以及样品的局部态密度。 通过监测探针在表面上扫描时的电流变化来获取信息，并通常以图像形式显示。STM是一项具有挑战性的技术，因为它要求极其干净和稳定的表面、尖锐的探针、复杂的电子设备以及出色的振动控制。 对于STM而言， 0.1nm的横向分辨率和0.01nm的深度分辨率被认为是良好的分辨率。凭借这种分辨率，材料中的单个原子可以被常规地成像和操控。STM不仅可以在超高真空中使用，还可以在空气、水和其他各种液体或气体环境中使用，并且可以在从接近零开尔文到几百摄氏度的温度范围内工作。 图2 Agilent Pico 5500原子力显微镜在Minus K BM-10隔振台上扫描4微米 “ 扫描隧道显微镜通过精确控制一个原子级尖锐的金属探针在样品上扫描，保持探针与样品之间1nm的距离，提供原子或分子级别的分辨率成像，”麦克米伦继续说道。“反馈基于10皮安（pA）的隧穿电子电流，即使探针与样品之间的距离变化仅为0.1nm，也会导致隧穿电流的显著变化。因此，尽管仪器设计旨在最大化刚性并最小化热漂移，但减少振动、声学噪声和电气噪声以及热漂移都是至关重要的。” “振动和低频声学噪声尤其关键，因为测量信号——即探针在表面上扫描过分子时探针高度的变化——包含频率范围为10至400Hz的成分。”麦克米伦解释道。 振动对STM成像的影响 要实现这些小型生物单层和双层结构的化学组成和行为的纳米级成像，要求STM必须放置在一个超稳定的操作环境中，该环境应避免周围低频振动的干扰。 “我们的实验室位于一栋钢筋混凝土建筑的四楼，采用柱梁设计，”麦克米伦说。“为了确保化学实验室的安全，需要安装大型空气处理设备，这给建筑结构带来了显著的振动。建筑物始终在轻微地移动。结构的基本频率范围为10至25Hz，空气处理设备在14、29和42Hz处增加了可测量的噪声。此外，建筑物外部的长期施工也带来了额外的振动。” STM被放置在一个非常小的房间内——面积仅为80平方英尺（约7.4平方米），由于靠近建筑物的结构支撑，这个位置提供了实验室空间中最低的振动水平。STM位于一个大小适中的声学隔离/温控腔室内，以优化空间使用。STM及其完整的微波设置的总重量约为25磅（约11.3公斤），尺寸为10英寸宽 x 10英寸深 x 8英寸高（约25.4厘米 x 25.4厘米 x 20.3厘米）。 “可用的振动隔离选项有限，”麦克米伦补充道。“STM最初放置在一个气浮隔振器上的花岗岩表面板上，这种隔振器最初是为光学显微镜系统设计的。但这种方法已不足以消除影响纳米级成像的低频振动。” 负刚度隔振 Claridge研究小组决定为其STM安装负刚度隔振系统。由于其在低频隔振效率非常高，使得像STM和AFM这样的振动敏感仪器能够在极端低振动环境中正常工作，而使用顶级气浮隔振台和其他隔振技术是无法达到这一效果的。 负刚度隔离器由Minus K Technology公司开发，采用了一种独特且完全机械的概念进行低频振动隔离。它们不需要电力或压缩空气，没有电机、泵或腔室，也不需要维护，因为没有任何部件会磨损。它们完全以被动机械模式运行。 “垂直运动隔离是由一个支持重量负载的刚性弹簧与负刚度机制结合提供的，” Minus K Technology的工程副总裁埃里克·伦格说。“通过这种方式，可以在不影响弹簧静态负载支撑能力的情况下，使净垂直刚度变得非常低。与垂直运动隔离器串联连接的梁柱提供水平运动隔离。梁柱表现为一个结合了负刚度机制的弹簧。结果是一个紧凑的被动隔离器，能够实现低垂直和水平自然频率以及高内部结构频率。” 负刚度隔离器在多个方向上实现了高水平的隔离效果。它们具有灵活性，可以定制垂直和水平共振频率至0.5Hz（某些版本水平方向为1.5Hz）。 （注意：对于自然频率为0.5Hz的隔离系统，隔离从0.7Hz开始，并随着振动频率的增加而改善。自然频率通常用于描述系统性能。） 在0.5Hz时，几乎不存在能量。很少会在0.5Hz发现显著的振动。频率高于0.7Hz的振动（负刚度隔离器开始隔离的起点）会随着频率的增加迅速衰减。当调整到0.5Hz时，负刚度隔离器在2Hz时可实现约93%的隔离效率；在5Hz时为99%；在10Hz时为99.7%。 振动隔离效率 “负刚度隔离器在8至30Hz范围内的振动衰减效果特别好，而这一频段使用其他振动隔离装置时一直是个难题，” 麦克米伦继续说道。“根据我们的经验，负刚度隔离器的低固有频率（0.5Hz）在这附近的频率上改善了衰减效果。” “负刚度隔振器的被动特性使我们无需在声学隔离腔中提供额外的穿透和连接，从而消除了可能的声学噪声源，”麦克米伦补充道。“减少进入腔体的电缆数量也限制了电缆振动耦合到实验中的程度，并减少了潜在的电子噪声来源。” “纳米级研究使用扫描隧道显微镜（STM）或原子力显微镜（AFM）等仪器时，需要比高性能气浮台所能提供的更高精度的隔振，以及比主动隔振系统所能提供的更高水平的环境适应性。幸运的是，对于这种高精度的研究需求，负刚度隔振技术提供了一个兼容的解决方案。” 注：由于flash原因，无法上传图片，附上原文链接：https://www.minusk.com/content/in-the-news/Minus_K_EdGivePress_0624-stm-scanning-tunneling-nanoscopic-vibration-isolation.html |
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