Введение
Нанолинейка – это инструмент или метод, используемый в области "нанометрологии" для обеспечения точного контроля и измерений в наномасштабе (то есть нанометр, что в миллиард раз меньше метра). Измерения чрезвычайно малых размеров требуют более сложных процедур, таких как манипулирование свойствами света (плазмонными) или ДНК для определения расстояний. В наномасштабе материалы и устройства демонстрируют уникальные свойства, которые могут существенно влиять на их поведение. В таких областях, как электроника, медицина и биотехнология, где прогресс достигается за счет манипулирования материей на атомном и молекулярном уровнях, измерения в наномасштабе становятся необходимыми. Нанолинейка – это также инструмент, разработанный в Массачусетском технологическом институте с высокой точностью, достигнутой с помощью метода сканирующей интерференционной литографии пучком (SBIL). Руководитель проекта Марк Л. Шаттенбург начал разработку с целью помощи полупроводниковой промышленности, которая востребована в устройствах, таких как компьютерные чипы, имеющие компоненты нанометрового размера, что подчеркивает важность инструмента, способного обеспечить точность в наномасштабе. Нанолинейка была разработана в Лаборатории космических нанотехнологий Института астрофизики и космических исследований Кавли при Массачусетском технологическом институте.
Локальный поверхностный плазмонный резонанс
Поверхностный плазмонный резонанс (SPR) – это явление, при котором свободные электроны в металлах колеблются при освещении светом определенной длины волны (цвета) под определенным углом. Это колебание аналогично волнам, возникающим при броске камня в пруд. Локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR) относится к локализованной области SPR, наблюдаемой на металлических наночастицах или металлах на наномасштабе, что обеспечивает более точный анализ. Каждая наночастица имеет свой уникальный LSPR, зависящий от размера и формы частицы. При сближении нескольких наночастиц на нанометровых расстояниях их LSPR взаимодействуют, вызывая оптические изменения. LSPR обладают высокой чувствительностью и могут изменяться под воздействием различных факторов, включая плазмонное сочетание, окружающую диэлектрическую среду или расстояния между частицами. Ученые наблюдают эти эффекты и анализируют данные, обычно в виде значений показателя преломления и сдвигов длины волны, для проведения измерений.
Фанно-резонансы
Некоторые наноправители используют резонансы Фано – асимметричные линии, возникающие в результате интерференции нескольких электромагнитных волн. Эти резонансы обычно наблюдаются на определенных расстояниях, например, между золотыми (Au) наноструктурами. Подобно локализованным поверхностным плазмонным резонансам (LSPR), резонансы Фано используются для измерений благодаря их высокой чувствительности к изменениям, таким как расстояния. Это позволяет проводить точные измерения при очень малых расстояниях для анализа. В некоторых приложениях вторая гармоническая генерация (SHG) – нелинейный оптический процесс, при котором два фотона одинаковой частоты объединяются, образуя один фотон с удвоенной частотой – используется совместно с резонансами Фано для нелинейных измерений. Определенные наноструктуры (например, золотой нанодольмен, состоящий из трех золотых наностержней) могут демонстрировать сильный отклик SHG и формировать специфические картины излучения. Этот метод применялся для точного определения структуры сложных трехмерных макромолекулярных образований.
Нанорулиндр ДНК оригами
В 2006 году Пол Ротэмунд совершил прорыв в области нанотехнологий ДНК, разработав метод ДНК-оригами. Его ДНК-оригами заключалось в сворачивании длинной одноцепочечной молекулы ДНК (именуемой "скелетом" или "скаффольдом") с помощью коротких одноцепочечных олигонуклеотидов ДНК (именуемых "степлями"). Эта революция позволила создавать наноструктуры с точно контролируемыми размерами, проектируя цепь скелета ДНК и подбирая соответствующие степли, которые сами по себе могут служить нанорулерами. Структуры ДНК-оригами могут быть спроектированы с определенными участками для присоединения других нанокомпонентов, таких как наночастицы, флюорофоры или белки. Измеряя расстояния между этими компонентами на структурах оригами, исследователи могут проводить прецизионные измерения расстояний на наномасштабе с использованием атомно-силовой микроскопии (AFM) и РНК. В процессе проектирования структуры ДНК-оригами оснащаются заранее заданными участками связывания для молекул РНК, стратегически расположенными для облегчения гибридизации. После введения молекул РНК эти события гибридизации измеряются с помощью AFM, обеспечивая визуализацию и точные измерения на наноуровне.
Наноуправляющий из MIT
В 2004 году MIT разработал Nanoruler – устройство, которое превосходило все известные на тот момент методы по точности и скорости создания дифракционных решеток. Для этого MIT объединил два традиционных метода создания решеток – механическое нанесение линий и интерференционную литографию – в новую технологию: сканирующую интерференционную литографию с пучком (SBIL). В "традиционной" интерференционной литографии два луча света интерферируют друг с другом, образуя интерференционные полосы (фринжи), подобно тому, как две волны на воде создают стоячую волну в месте их пересечения. Эта стоячая волна и есть фринж, который записывается на фоторезист, нанесенный на подложку, и в конечном итоге формирует линии дифракционной решетки. Отличие между "традиционной" интерференционной литографией и методом SBIL заключается в конечном результате – получаемых решетках. Интерференционная литография испытывает трудности при создании линейных решеток, и конечный результат часто оказывается нелинейным. Это нежелательно, поскольку дифракционные решетки должны быть линейными и однородными. В SBIL подход аналогичен интерференционной литографии, но используются два узких ультрафиолетовых лазерных луча, которые интерферируют и создают фринжи. Узкий луч создает меньшие искажения, что обеспечивает более линейные фринжи по сравнению с интерференционной литографией. Подложка закреплена на подвижном столике, позволяющем фоторезисту перемещаться в "сканирующем" режиме. Это движение формирует решетчатый рисунок с точностью около 1 нм на подложке размером 300 нм примерно за 20 минут.
Приложения
Нанотехнология – это современная область, которая пока еще полностью не изучена. Нанолинейки позволяют ученым исследовать фундаментальные строительные блоки материи, включая атомы и молекулы, что необходимо для углубления наших знаний о физических и химических свойствах материалов. По мере проведения исследований в области наноматериалов, важно, чтобы их производство было масштабируемым и эффективным. Особенно значительный прогресс благодаря нанотехнологиям достигнут в области наук о жизни. Наномасштабные измерения используются для характеристики наночастиц при доставке лекарств, изучения биологических молекул и исследования клеточных структур на наноуровне. Кроме того, SPR (поверхностный плазмонный резонанс) хорошо зарекомендовал себя и широко применяется в биосенсорике. В Массачусетском технологическом институте (MIT) разработали устройство Nanoruler для производства полупроводников с большей точностью и скоростью. Уменьшение размеров имеет важное значение в этой отрасли, поскольку чем меньше полупроводник, тем большее количество полупроводников можно разместить в устройстве, таком как микрочип, что повышает его производительность.