Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
A nanoruler is a tool or a method used within the subfield of "nanometrology" to achieve precise control and measurements at the nanoscale (i. e. nanometer, a billion times smaller than a meter). Measurements of extremely tiny proportions require more complicated procedures, such as manipulating the properties of light (plasmonic) or DNA to determine distances. At the nanoscale, materials and devices exhibit unique properties that can significantly influence their behavior. In fields like electronics, medicine, and biotechnology, where advancements come from manipulating matter at the atomic and molecular levels, nanoscale measurements become essential. The nanoruler is also a tool developed by the Massachusetts Institute of Technology with extreme precision, achieved through the technique of scanning beam interference lithography (SBIL). The director of the project, Mark L. Schattenburg, began it with the intention of helping the semiconductor industry, which is required in devices such as computer chips that have components nanometers in size, hence the importance of having a tool capable of nanoscale precision. The Nanoruler was developed in the Space Nanotechnology Laboratory of the Kavli Institute for Astrophysics and Space Research at the Massachusetts Institute of Technology.
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.
Surface plasmon resonance (SPR) is a phenomenon where free electrons in metals oscillate when illuminated by light at a specific wavelength(color) at a particular angle. This oscillation is similar to the ripples created when a rock is thrown into a pond. Localized surface plasmon resonance (LSPR) refers to a concentrated region of SPR found on metallic nanoparticles, or metals at the nanoscale, enabling more precise analysis. Each nanoparticle will have its unique LSPR depending on the particle's size and geometry. When multiple nanoparticles are brought together within nanometer distances, their LSPRs interact, leading to optical changes. LSPRs are highly sensitive and can be influenced by various factors, including plasmonic coupling, the surrounding dielectric medium, or distances. Scientists observe these effects and analyze the data, typically in the form of refractive index and shifts in wavelength, to determine measurements.
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.
Some nanorulers utilize Fano resonances, which are asymmetric line curves resulting from the interference of multiple electromagnetic waves. These resonances are typically observed at specific distances of separation, such as those between gold (Au) nanostructures. Analogous to LSPRs, Fano resonances are used for measurement because of their strong sensitivity to change, such as distances. This allows for precise measurements in very tiny separations for analysis. In certain applications, second harmonic generation (SHG), a nonlinear optical process where two photons of the same frequency combine to generate a single photon at twice the frequency, is utilized in support with Fano resonances for nonlinear measurements. Certain nanostructures (e. g. a gold nanodolmen using three gold nanorods) can exhibit strong SHG responses and lead to specific emission patterns. This method has been used to accurately determine complex 3 dimensional macromolecular entities.
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.
In 2006, Paul Rothemund made a breakthrough in DNA nanotechnology, developing the DNA origami. His DNA origami took a long, single stranded DNA molecule (referred to as the "scaffold") and folded it into short, single stranded DNA oligonucleotides (referred to as "staples"). This revolution allowed for the creation of nanostructures with highly controlled dimensions by designing the DNA scaffold strand and selecting the appropriate staple strands that can serve as nanorulers by itself. DNA origami structures can be designed with specific attachment sites for other nanoscale components, such as nanoparticles, fluorophores, or proteins. By measuring the distances between these components on the origami structures, researchers can perform precise distance measurements at the nanoscale through atomic force microscopy (AFM) and the use of RNA. In the design process, DNA origami structures are equipped with predetermined binding sites for RNA molecules, strategically positioned to facilitate hybridization. Upon introducing RNA molecules, these hybridization events are measured using AFM, providing both visualization and precise nanoscale measurements.
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.
In 2004, MIT developed the Nanoruler, a machine that was more precise and faster at grating than any other methods at the time. To achieve this, MIT combined two conventional methods of grating, mechanical ruling and interference lithography, into a new technique: scanning beam interference lithography (SBIL). In "traditional" interference lithography, two beams of light interfere with each other producing fringes, similar to how two ripples in the water will create a standing wave where the two ripples meet. The standing wave is the fringe, which gets recorded onto a photoresist on top of a substrate, eventually becoming grating lines. The difference between the "traditional" interference lithography method and the SBIL method is the final gratings they produce. Interference lithography struggles to produce linear gratings and the end results are often nonlinear. It's not ideal, since gratings should be linear and uniform. With SBIL, the approach is similar to that of interference lithography but utilizes two, narrow UV laser beams that interfere and create fringes. The narrowness creates smaller distortions, thereby more linear fringes than interference lithography. The substrate is also attached to a stage, enabling the photoresist to move in a "scanning" motion. This motion creates the grating pattern with near 1 nm precision across a 300 nm substrate in around 20 minutes.
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.
Nanotechnology is a modern field that has yet to be fully understood. Nanorulers allow scientists to investigate the fundamental building blocks of matter, including atoms and molecules, which is essential for advancing our knowledge of the physical and chemical properties of materials. As research on nanomaterials is being done, it is important for manufacturing of these nanomaterials to be scalable and efficient. Life sciences have particularly benefited from nanotechnology. Nanoscale measurements are used for characterizing nanoparticles for drug delivery, studying biological molecules, and exploring cell structures at the nanoscale. Additionally, SPR has been well established and widely used for biosensing. In MIT's case, they developed the Nanoruler machine in order to manufacture semiconductors with higher precision and at faster speeds. Reducing size is important in this industry because the smaller a semiconductor is, the more semiconductors can be placed within a device such as a microchip, which makes the microchip more powerful.