Кіріспе

Наноөлшегіш – нанометрология (яғни нанометр, метрден миллиард есе кіші) саласында қолданылатын, нақты бақылау мен өлшеуді қамтамасыз ететін құрал немесе әдіс. Өте кішкентай мөлшерлерді өлшеу үшін қашықтықты анықтау үшін жарық қасиеттерін (плазмоникалық) немесе ДНК-ны қолдану сияқты күрделі процедуралар қажет. Наноөлшекте материалдар мен құрылғылар ерекше қасиеттерге ие, бұл олардың мінез-құлқына маңызды әсер етеді. Электроника, медицина және биотехнология сияқты салаларда, материя атомдық және молекулалық деңгейде өңделгенде жаңа жетістіктерге қол жеткізіледі, сондықтан наноөлшектегі өлшемдер маңызды рөл атқарады. Наноөлшегіш – Массачусетс технология институтында сканерлік сәулелік интерференциялық литография (SBIL) техникасы арқылы жоғары дәлдікпен жасалған құрал. Жоба жетекшісі Марк Л. Шаттенбург оны жартылай өткізгіш өнеркәсібіне көмектесу мақсатымен бастады, себебі компьютерлік чиптер сияқты құрылғыларда нанометрлік өлшемдегі компоненттер қажет, демек наноөлшектегі дәлдікті қамтамасыз ететін құралдың маңыздылығы зор. Наноөлшегіш Массачусетс технология институтының Кавли астрофизика және ғарыш зерттеулер институтының ғарыш нанотехнологиясы зертханасында әзірленді.

Жергілікті жер бетіндегі плазмоналық резонанс

Жер бетіндегі плазмондық резонанс (ЖПР) – металдардағы бос электрондар белгілі бір толқын ұзындығындағы (түсі) жарықпен белгілі бір бұрышта сәулеленген кезде тербеліс жасайтын құбылыс. Бұл тербеліс, тас суға тасталғанда пайда болатын толқындарға ұқсас. Жергілікті беттік плазмондық резонанс (LSPR) – металл нанобөлшектерінде немесе наноөлшемдегі металдарда кездесетін ЖПР-дің шоғырланған аймағын білдіреді, бұл дәл талдау жүргізуге мүмкіндік береді. Әрбір нанобөлшектің оның мөлшері мен пішініне байланысты ерекше LSPR-і болады. Егер бірнеше нанобөлшек нанометрлік қашықтықта жақын келтірілсе, олардың LSPR-лері өзара әрекеттеседі, нәтижесінде оптикалық өзгерістер пайда болады. LSPR-лер өте сезімтал және плазмондық байланыс, айналасындағы диэлектрлік орта және қашықтық сияқты түрлі факторларға тәуелді. Ғалымдар бұл әсерлерді бақылап, әдетте сыну көрсеткіші мен толқын ұзындығының өзгеруі түріндегі деректерді талдау арқылы өлшемдерді анықтайды.

Фану резонанстары

Кейбір нанореттеуіштер Фано резонанстарын пайдаланады, олар бірнеше электромагниттік толқындардың интерференциясынан туындаған асимметриялық сызық қисықтары. Бұл резонанстар әдетте алтын (Au) наноқұрылымдары арасындағы сияқты, белгілі бір арақашықтықтарда байқалады. LSPR-ге ұқсас, Фано резонанстары өзгерістерге, мысалы, арақашықтықтарға жоғары сезімталдықтары болғандықтан өлшеулер үшін қолданылады. Бұл талдау үшін өте кішкентай аралықтарда нақты өлшемдер жасауға мүмкіндік береді. Кейбір қолдануларда екінші гармониялық генерация (SHG) – бірдей жиіліктегі екі фотонның бірігіп, екі есе жиіліктегі бір фотонды тудыратын сызықтық емес оптикалық процесс – Фано резонанстарымен бірге сызықтық емес өлшемдер үшін қолданылады. Кейбір наноқұрылымдар (мысалы, үш алтын наноқалқанды пайдаланатын алтын нанодолмен) күшті SHG жауабын көрсете алады және нақты шығарылым үлгілеріне әкелуі мүмкін. Бұл әдіс күрделі 3 өлшемді макромолекулалық бірліктерді дәл анықтау үшін қолданылған.

ДНК-ның оригами нанореті

2006 жылы Пол Ротэмунд ДНК-нанотехнологияда маңызды жаңалық жасап, ДНК-оригамиді ойлап тапты. Оның ДНК-оригамисі ұзын, бір жіпті ДНК молекуласын ("қалып") пайдаланып, оны қысқа, бір жіпті ДНК олигонуклеотидтерімен ("тіреулер") бүктеді. Бұл революция ДНК қалыбын жобалау және наноөлшемдерде өзіндік сызықтар рөлінде қызмет ететін тиісті тіреулерді таңдау арқылы жоғары дәлдікпен бақыланатын наноқұрылымдар жасауға мүмкіндік берді. ДНК-оригами құрылымдарын нанобөлшектер, флуоресценттік заттар немесе ақуыздар сияқты басқа наноөлшемді компоненттерді бекітуге арналған белгілі бір орындармен жобалауға болады. Оригами құрылымдарындағы осы компоненттер арасындағы қашықтықты өлшеу арқылы зерттеушілер атомдық күш микроскопиясы (АҚМ) және РНК қолдану арқылы наноөлшемде дәл қашықтық өлшемдерін жүзеге асыра алады. Жобалау кезінде ДНК-оригами құрылымдары РНК молекулалары үшін алдын ала анықталған байланыс орындарымен жабдықталады, олар гибридтеуді жеңілдету үшін стратегиялық түрде орналастырылады. РНК молекулаларын енгізгеннен кейін, бұл гибридтеу оқиғалары АҚМ арқылы өлшенеді, бұл визуализациямен қатар наноөлшемдегі дәл өлшемдерді де қамтамасыз етеді.

MIT-тің нанокеріштері

2004 жылы MIT Nanoruler машинасын жасады, ол сол кездегі басқа әдістерге қарағанда әлдеқайда дәл және жылдам решетке түсіруге мүмкіндік берді. Осыған жету үшін MIT екі дәстүрлі решетке түсіру әдісін – механикалық решетке түсіру және интерференциялық литографияны – жаңа техникаға біріктірді: сканерлік сәулелік интерференциялық литография (SBIL). "Дәстүрлі" интерференциялық литографияда екі жарық сәулесі бір-бірімен араласып, толқындардың кездескен жерінде тұрақты толқын пайда болады, бұл су бетіндегі екі толқынның араласуына ұқсас. Тұрақты толқын – бұл шет, ол субстрат үстіндегі фоторезистке жазылады және ақырында решетке түсірілген жолдарға айналады. "Дәстүрлі" интерференциялық литография мен SBIL әдісінің арасындағы ерекшелік – олар жасаған соңғы решеттерде. Интерференциялық литографиямен түзу сызықты решеттер жасау қиын, нәтижесі көбінесе қисық болады. Бұл идеалды емес, себебі решеттер түзу және біркелкі болуы тиіс. SBIL әдісі интерференциялық литографияға ұқсас, бірақ екі тар ультракөк сәулелі лазер сәулесін пайдаланады, олар араласып шеттер жасайды. Сәулелердің тарлығы бұрмалауды азайтады, соның салдарынан интерференциялық литографияға қарағанда түзу шеттер көбірек шығады. Субстрат та сахнаға бекітіледі, бұл фоторезисті "сканерлеу" арқылы қозғалуға мүмкіндік береді. Бұл қозғалыс 20 минут ішінде 300 нм субстратқа шамамен 1 нм дәлдікпен решет үлгісін жасайды.

Қолданбалар

Нанотехнология – әлі толыққанды түсінілмеген заманауи сала. Наноөлшегіштер ғалымдарға материяның негізгі құрылыс бөліктерін, соның ішінде атомдар мен молекулаларды зерттеуге мүмкіндік береді, бұл материалдардың физикалық және химиялық қасиеттері туралы білімімізді дамыту үшін маңызды. Наноматериалдарды зерттеулер жүргізіліп жатқандықтан, осы наноматериалдарды өндірудің кеңейтілуі және тиімділігі маңызды болып табылады. Нанотехнология ең көп пайдасын өмір ғылымдарына тигізді. Наноөлшедегі өлшемдер дәрілік заттарды жеткізу үшін нанобөлшектерді сипаттау, биологиялық молекулаларды зерттеу және жасуша құрылымдарын наноөлшеде қарастыру үшін қолданылады. Сонымен қатар, SPR биосенсорлық талдауда жақсы қалыптасқан және кеңінен қолданылатын әдіс. MIT жағдайында, олар жартылай өткізгіштерді жоғары дәлдікпен және жылдамдықпен өндіру үшін Nanoruler машинасымен жасады. Өлшемді кішірейту осы салада маңызды, себебі жартылай өткізгіш неғұрлым кіші болса, микрочип сияқты құрылғыға соғұрлым көп жартылай өткізгіштерді орналастыруға болады, бұл микрочиптің қуатын арттырады.